Лекции Компьюторные сети. Физический уровень. Методы передачи данных на физическом уровне Методы передачи дискретных данных на физическом уровне

Страница 27 из 27 Физические основы передачи данных (Линии связи,)

Физические основы передачи данных

Любая сетевая технология должна обеспечить надежную и быструю передачу дискретных данных по линиям связи. И хотя между технологиями имеются большие различия, они базируются на общих принципах передачи дискретных данных. Эти принципы находят свое воплощение в методах представления двоичных единиц и нулей с помощью импульсных или синусоидальных сигналов в линиях связи различной физической природы, методах обнаружения и коррекции ошибок, методах компрессии и методах коммутации.

Линии связи

Первичные сети, линии и каналы связи

При описании технической системы, которая передает информацию между узлами сети, в литературе можно встретить несколько названий: линия связи, составной канал, канал, звено. Часто эти термины используются как синонимы, и во многих случаях это не вызывает проблем. В то же время есть и специфика в их употреблении.

Звено (link) - это сегмент, обеспечивающий передачу данных между двумя соседними узлами сети. То есть звено не содержит промежуточных устройств коммутации и мультиплексирования.

Каналом (channel) чаще всего обозначают часть пропускной способности звена, используемую независимо при коммутации. Например, звено первичной сети может состоять из 30 каналов, каждый из которых обладает пропускной способностью 64 Кбит/с.

Составной канал (circuit) - это путь между двумя конечными узлами сети. Составной канал образуется отдельными каналами промежуточных звеньев и внутренними соединениями в коммутаторах. Часто эпитет «составной» опускается и термин «канал» используется для обозначения как составного канала, так и канала между соседними узлами, то есть в пределах звена.

Линия связи может использоваться как синоним для любого из трех остальных терминов.

На рис. показаны два варианта линии связи. В первом случае (а) линия состоит из сегмента кабеля длиной несколько десятков метров и представляет собой звено. Во втором случае (б) линия связи представляет собой составной канал, развернутый в сети с коммутацией каналов. Такой сетью может быть первичная сеть или телефонная сеть.

Однако для компьютерной сети эта линия представляет собой звено, так как соединяет два соседних узла, и вся коммутационная промежуточная аппаратура является прозрачной для этих узлов. Повод для взаимного непонимания на уровне терминов компьютерных специалистов и специалистов первичных сетей здесь очевиден.

Первичные сети специально создаются для того, чтобы предоставлять услуги каналов передачи данных для компьютерных и телефонных сетей, про которые в таких случаях говорят, что они работают «поверх» первичных сетей и являются наложенными сетями.

Классификация линий связи

Линия связи состоит в общем случае из физической среды, по которой передаются электрические информационные сигналы, аппаратуры передачи данных и промежуточной аппаратуры. Физическая среда передачи данных (физические носители информации) может представлять собой кабель, то есть набор проводов, изоляционных и защитных оболочек и соединительных разъемов, а также земную атмосферу или космическое пространство, через которые распространяются электромагнитные волны.

В первом случае говорят о проводной среде, а во втором - о беспроводной.

В современных телекоммуникационных системах информация передается с помощью электрического тока или напряжения, радиосигналов или световых сигналов - все эти физические процессы представляют собой колебания электромагнитного поля различной частоты.

Проводные (воздушные) линии связи представляют собой провода без каких-либо изолирующих или экранирующих оплеток, проложенные между столбами и висящие в воздухе. Еще в недалеком прошлом такие линии связи были основными для передачи телефонных или телеграфных сигналов. Сегодня проводные линии связи быстро вытесняются кабельными. Но кое-где они все еще сохранились и при отсутствии других возможностей продолжают использоваться и для передачи компьютерных данных. Скоростные качества и помехозащищенность этих линий оставляют желать много лучшего.

Кабельные линии имеют достаточно сложную конструкцию. Кабель состоит из проводников, заключенных в несколько слоев изоляции: электрической, электромагнитной, механической и, возможно, климатической. Кроме того, кабель может быть оснащен разъемами, позволяющими быстро выполнять присоединение к нему различного оборудования. В компьютерных (и телекоммуникационных) сетях применяются три основных типа кабеля: кабели на основе скрученных пар медных проводов - неэкранированная витая пара (Unshielded Twisted Pair, UTP) и экранированная витая пара (Shielded Twisted Pair, STP), коаксиальные кабели с медной жилой, волоконно-оптические кабели. Первые два типа кабелей называют также медными кабелями.

Радиоканалы наземной и спутниковой связи образуются с помощью передатчика и приемника радиоволн. Существует большое разнообразие типов радиоканалов, отличающихся как используемым частотным диапазоном, так и дальностью канала. Диапазоны широковещательного радио (длинных, средних и коротких волн), называемые также АМ-диапазонами, или диапазонами амплитудной модуляции (Amplitude Modulation, AM), обеспечивают дальнюю связь, но при невысокой скорости передачи данных. Более скоростными являются каналы, использующие диапазоны очень высоких частот (Very High Frequency, VHF), для которых применяется частотная модуляция (Frequency Modulation, FM). Для передачи данных также используются диапазоны ультравысоких частот (Ultra High Frequency, UHF), называемые еще диапазонами микроволн (свыше 300 МГц). При частоте свыше 30 МГц сигналы уже не отражаются ионосферой Земли, и для устойчивой связи требуется наличие прямой видимости между передатчиком и приемником. Поэтому такие частоты используют либо спутниковые каналы, либо радиорелейные каналы, либо локальные или мобильные сети, где это условие выполняется.

Применяются два основных типа физического кодирования - на основе синусоидального несущего сигнала (аналоговая модуляция) и на основе последовательности прямоугольных импульсов (цифровое кодирование).

Аналоговая модуляция - для передачи дискретных данных по каналом с узкой полосой пропускания - телефонные сети канал тональной частоты (полоса пропускания от 300 до 3400 Гц) Устройство, выполняющее модуляцию и демодуляцию - модем.

Методы аналоговой модуляции

n амплитудная модуляция (низкая помехоустойчивость, часто применяется совместно с фазовой модуляцией);

n частотная модуляция (сложная техническая реализация, обчно применяется в низкоскоростных модемах).

n фазовая модуляция.

Спектр модулированного сигнала

Потенциальный код - если дискретные данные передаются со скоростью N бит в секунду, то спектр состоит из постоянной составляющей нулевой частоты и бесконечного ряда гармоник с частотой f0, 3f0, 5f0, 7f0, ..., где f0 = N/2. Амплитуды этих гармоник убывают медленно - с коэффициентами 1/3, 1/5, 1/7, ... от амплитуды f0. Спектр результирующего сигнала потенциального кода при передаче произвольных данных занимает полосу от некоторой величины, близкой к 0, до примерно 7f0. Для канала тональной частоты верхняя граница скорости передачи достигается для скорости передачи данных 971 бит в секунду, а нижняя неприемлема для любых скоростей, так как полоса пропускания канала начинается с 300 Гц. То есть на каналах тональной частоты потенциальные коды не используются.

Амплитудная модуляция - спектр состоит из синусоиды несущей частоты fc и двух боковых гармоник fc+fm и fc-fm, где fm - частота изменения информационного параметра синусоиды, которая совпадает со скоростью передачи данных при использовании двух уровней амплитуды. Частота fm определяет пропускную способность линии при данном способе кодирования. При небольшой чпстоте модуляции ширина спектра сгнала будет таеже небольшой (равной 2fm), и сигналы не будет искажаться линие, если полоса пропускания будет больше или равна 2fm. Для канала тональной частоты такой способ приемлем при скорости передачи данных не выше 3100 / 2 =1550 бит в сек.

Фазовая и частотная модуляция - спектр более сложный, но симметричный, с большим количеством быстро убывающих гармоник. Эти методы подходят для передачи по каналу тональной частоты.

Квадратурная амплитудная модуляция (Quadrate Amplitude Modulation) - фазовая модуляция с 8 значениям величин сдвига фаз и амплитудная с 4 значениями амплитуды. Используются не все 32 комбинации сигнала.

Цифровое кодирование

Потенциальные коды – для представления логических единиц и нулей используется только значение потенциала сигнала, а его перепады, формулирующие законченные импульсы, во внимание не принимаются.

Импульсные коды – представляют двоичные данные либо импульсами определенной полярности, либо частью импульса – перепадом потенциала определенного направления.

Требования к методу цифрового кодирования:

Имел при одной и той же битовой скорости наименьшую ширину спектра результирующего сигнала (более узкий спектр сигнала позволяет на одной и той же линии добиваться более высокой скорости передачи данных, предъявляется также требование отсутствия постоянной составляющей, то есть наличия постоянного тока между передатчиком и приемником);

Обеспечивал синхронизацию между передатчиком и приемником (приемник должен точно знать, в какой момент времени считывать нужную информацию с линии, в локальных системах – тактирующие линии, в сетях – самосинхронизирующиеся коды, сигналы которых несут для передатчика указания о том, в какой момент времени нужно осуществлять распознавание очередного бита);

Обладал способностью распознавать ошибки;

Обладал низкой стоимостью реализации.

Потенциальный код без возвращения к нулю. NRZ (Non Retrurn to Zero). Сигнал не возвращается к нулю в течение такта.

Прост в реализации, обладает хорошей распознаваемостью ошибок благодаря двум резко различающимся сигналам, но не обладает свойством синхронизации. При передаче длинной последовательности нулей или единиц сигнал на линии не меняется, поэтому приемник не может определить, когда очередной раз нужно считывать данные. Еще одни недостаток – наличие низкочастотной составляющей, которая приближается к нулю при передаче длинных последовательностей единиц и нулей. В чистом виде код используется редко, используются модификации. Привлекательность – низкая частота основной гармоники f0 = N /2.

Метод биполярного кодирования с альтернативной инверсией . (Bipolar Alternate Mark Inversion, AMI), модификация метода NRZ.

Для кодирования нуля используется нулевой потенциал, логическая единица кодируется либо положительные потенциалом, либо отрицательным, при этом потенциал каждой следующей единицы противоположен потенциалу предыдущей. Частично ликвидирует проблемы постоянной составляющей и отсутствия самосинхронизации. В случае передачи длинной последовательности единиц – последовательность разнополярных импульсов с тем же спектром, что и у кода NRZ, передающего последовательность чередующихся импульсов, то есть без постоянной составляющей и основной гармоникой N/2. В целом использование AMI приводит к более узкому спектру, чем NRZ, а значит, к более высокой пропускной способности линии. Например, при передаче чередующихся нуляе и единиц основная гармоника f0 имеет частоту N/4. Есть возможность распознавать ошибочные передачи, но для обеспечения достоверности приема необходимо повышение мощности примерно на 3 дБ, так как используются тру уровня сигнала.

Потенциальный код с инверсией при единице . (Non Return to Zero with ones Inverted, NRZI) Код, похожий на AMI, по с двумя уровнями сигнала. При передаче нуля передается потенциал предыдущего такта, а при передаче единицы потенциал инвертируется на противоположный. Код удобен в тех случаях, когда использование третьего уровня не желательно (оптический кабель).

Для улучшения AMI, NRZI используются два метода. Первый – добавление в код избыточных единиц. Появляется свойство самосинхронизации, исчезает постоянная составляющая и сужается спектр, но снижается полезная пропускная способность.

Другой метод – “перемешивание” исходной информации таким образом, чтобы вероятность появления единиц и нулей на линии становилась близкой - скрэмблирование. Оба метода – логическое кодирование, так как форму сигналов на линии они не определяют.

Биполярный импульсный код . Единица представлена импульсом одной полярности, а ноль – другой. Каждый импульс длится половину такта.

Код обладает отличными свойствами самосинхронизации, но при передаче длинной последовательности нулей или единиц может присутствовать постоянная составляющая. Спектр шире, чем у потенциальных кодов.

Манчестерский код . Самый распространенный код, применяющийся в сетях Ethernet, Token Ring.

Каждый такт делится на две части. Информация кодируется перепадами потенциала, происходящими в середине такта. Единица кодируется перепадом от низкого уровня сигнала к высокому, а ноль – обратным перепадом. В начале каждого такта может происходить служебных перепад сигнала, елси нужно представить несколько единиц или нулей подряд. Код обладает отличными самосинхронизирующимися свойствами. Полоса пропускания уже, что у биполярного импульсного, нет постоянной составляющей, а основная гармоника в худшем случае имеет частоту N, а в лучшем - N/2.

Потенциальный код 2В1Q . Каждые два бита передаются за одни такт сигналом, имеющим четыре состояния. 00 - -2,5 В, 01 - -0,833 В, 11 - +0,833 В, 10 - +2,5 В. Требуются дополнительные средства для борьбы с длинными последовательностями одинаковых пар бит. При случайном чередовании бит спектр в два раза уже, чем у NRZ, так как при той же битовой скорости длительность такта увеличивается в два раза, то есть можно по одной и той же линии передавать данные в два раза быстрее, чем с помощью AMI, NRZI, но нужна большая мощность передатчика.

Логическое кодирование

Призвано улучшать потенциальные коды типа AMI, NRZI, 2B1Q, заменяя длинные последовательности бит, приводящие к постоянному потенциалу, вкраплениями единиц. Используется два метода – избыточное кодирование и скремблирование.

Избыточные коды основаны на разбиении исходной последовательности бит на порции, которые часто называют символами, после чего каждый исходный символ заменяется на новый, который имеет большее количество бит, чем исходный.

Код 4В/5В заменяет последовательности из 4 бит последовательностями из 5 бит. Тогда вместо 16 битовых комбинаций получается 32. Из них отбирается 16, которые не содержат большого количества нулей, остальные считаются запрещенными кодами (code violation). Кроме устранения постоянной составляющей и придания коду свойства самосинхронизации, избыточные коды позволяют приемнику распознавать искаженные биты. Если приемник принимает запрещенные код, значит на линии произошло искажение сигнала.

Этот код передается по линии с помощью физического кодирования по одному из методов потенциального кодирования, чувствительному только к длинным последовательностям нулей. Код гарантирует, что на линии не встретится более трех нулей подряд. Существуют другие коды, например 8В/6Т.

Для обеспечения заданной пропускной способности передатчик должен работать с повышенной тактовой частотой (для 100 Мб/с – 125 Мгц). Спектр сигнала, расширяется по сравнению с первоначальным, но остается уже спектра манчестерского кода.

Скрэмблирование – перемешивание данных скрэмблером перед передачей из в линию.

Методы скремблирования заключаются в побитном вычислении результирующего кода на основании бит исходного кода и полученных в предыдущих тактах бит результирующего кода. Например,

B i = A i xor B i -3 xor B i -5 ,

где B i – двоичная цифра результирующего кода, полученная на i-ом такте работы скрэмблера, A i – двоичная цифра исходного кода, поступающая на i-ом такте на вход скремблера, B i -3 и B i -5 – двоичные цифры результирующего кода, полученные на предыдущих тактах работы.

Для последовательности 110110000001 скремблер даст 110001101111, то есть последовательности из шести подряд идущих нулей не будет.

После получения результирующей последовательности приемник передаст ее дескремблеру, который применит обратное преобразование

С i = В i xor B i-3 xor B i-5 ,

Различные системы скрэмблирования отличаются количеством слагаемых и сдвигом между ними.

Существуют более простые методы борьбы с последовательностями нулей или единиц, которые тоже относят к методам скремблирования.

Для улучшения Bipolar AMI используются:

B8ZS (Bipolar with 8-Zeros Substitution) – исправляет только последовательности, состоящие из 8 нулей.

Для этого он после трех первых нулей вместо оставшихся пяти вставляет пять сигналов V-1*-0-V-1*, где V обозначает сигнал единицы, запрещенный для данного такта полярности, то есть сигнал, не изменяющий полярность предыдущей единицы, 1* - сигнал единицы корректной полярности, а знак звездочки отмечает тот факт, что в исходном коде в этом такте была не единица, а ноль. В результате на 8 тактах приемнике наблюдает 2 искажения – очень маловероятно, что это случилось из-за шума на линии. Поэтому приемник считает такие нарушения кодировкой 8 последовательных нулей. В этом коде постоянная составляющая равна нулю при любых последовательностях двоичных цифр.

Код HDB3 исправляет любые четыре подряд идущих нуля в исходной последовательности. Каждые четыре нуля заменяются четырьмя сигналами, в которых имеется один сигнал V. Для подавления постоянной составляющей полярность сигнала V чередуется при последовательных заменах. Кроме того, для замены используются два образца четырехтактовых кодов. Если перед заменой исходный код содержал нечетное число единиц, то используется последовательность 000V, а если число единиц было четным – последовательность 1*00V.

Улучшенные потенциальные коды обладают достаточно узкой полосой пропускания для любых последовательностей нулей и единиц, которые встречаются в передаваемых данных.

Исходная информация, которую необходимо передавать по линии связи, может быть либо дискретной (выходные данные компьютеров), либо аналоговой (речь, телевизионное изображение).

Передача дискретных данных базируется на использовании двух типов физического кодирования:

а) аналоговой модуляции, когда кодирование осуществляется за счет изменения параметров синусоидального несущего сигнала;

б) цифрового кодирования путем изменения уровней последовательности прямоугольных информационных импульсов.

Аналоговая модуляция приводит к спектру результирующего сигнала гораздо меньшей ширины, чем при цифровом кодировании, при той же скорости передачи информации, однако для ее реализации требуется более сложная и дорогая аппаратура.

В настоящее время исходные данные, имеющие аналоговую форму, все чаще передаются по каналам связи в дискретном виде (в виде последовательности единиц и нулей), т. е. осуществляется дискретная модуляция аналоговых сигналов.

Аналоговая модуляция. Применяется для передачи дискретных данных по каналам с узкой полосой частот, типичным представителем которых является канал тональной частоты, предоставляемый пользователям телефонных сетей. По этому каналу передаются сигналы с частотой от 300 до 3400 Гц, т. е. его полоса пропускания равна 3100 Гц. Такая полоса вполне достаточна для передачи речи с приемлемым качеством. Ограничение полосы пропускания тонального канала связано с использованием аппаратуры уплотнения и коммутации каналов в телефонных сетях.

Перед передачей дискретных данных на передающей стороне с помощью модулятора-демодулятора (модема) осуществляется модуляция несущей синусоиды исходной последовательности двоичных цифр. Обратное преобразование (демодуляция) выполняется принимающим модемом.

Возможны три способа преобразования цифровых данных в аналоговую форму, или три метода аналоговой модуляции:

Амплитудная модуляция, когда меняется только амплитуда несущей синусоидальных колебаний в соответствии с последовательностью передаваемых информационных битов: например, при передаче единицы амплитуда колебаний устанавливается большой, а при передаче нуля - малой, или сигнал несущей вообще отсутствует;

Частотная модуляция, когда под действием модулирующих сигналов (передаваемых информационных битов) меняется только частота несущей синусоидальных колебаний: например, при передаче нуля - низкая, а при передаче единицы - высокая;

Фазовая модуляция, когда в соответствии с последовательностью передаваемых информационных битов изменяется только фаза несущей синусоидальных колебаний: при переходе от сигнала 1 к сигналу 0 или наоборот фаза меняется на 180°. В чистом виде амплитудная модуляция на практике используется редко из-за низкой помехоустойчивости. Частотная модуляция не требует сложных схем в модемах и обычно применяется в низкоскоростных модемах, работающих на скоростях 300 или 1200 бит/ с. Повышение скорости передачи данных обеспечивается использованием комбинированных способов модуляции, чаще амплитудной в сочетании с фазовой.

Аналоговый способ передачи дискретных данных обеспечивает широкополосную передачу путем использования в одном канале сигналов различных несущих частот. Это гарантирует взаимодействие большого количества абонентов (каждая пара абонентов работает на своей частоте).

Цифровое кодирование. При цифровом кодировании дискретной информации используются два вида кодов:

а) потенциальные коды, когда для представления информационных единиц и нулей применяется только значение потенциала сигнала, а его перепады во внимание не принимаются;

б) импульсные коды, когда двоичные данные представляются либо импульсами определенной полярности, либо перепадами потенциала определенного направления.

К способам цифрового кодирования дискретной информации при использовании прямоугольных импульсов для представления двоичных сигналов предъявляются такие требования:

Обеспечение синхронизации между передатчиком и приемником;

Обеспечение наименьшей ширины спектра результирующего сигнала при одной и той же битовой скорости (так как более узкий спектр сигналов позволяет на ли-

нии с одной и той же полосой пропускания добиваться более высокой скорости

передачи данных);

Возможность распознавания ошибок в передаваемых данных;

Относительно низкая стоимость реализации.

Средствами физического уровня осуществляется только распознавание искаженных данных (обнаружение ошибок), что позволяет экономить время, так как приемник, не ожидая полного помещения принимаемого кадра в буфер, сразу его отбраковывает при распознавании ошибочных бит в кадре. Более сложная операция - коррекция искаженных данных - выполняется протоколами более высокого уровня: канального, сетевого, транспортного или прикладного.

Синхронизация передатчика и приемника необходима для того, чтобы приемник точно знал, в какой момент следует осуществлять считывание поступающих данных. Синхросигналы настраивают приемник на передаваемое сообщение и поддерживают синхронизацию приемника с приходящими битами данных. Проблема синхронизации легко решается при передаче информации на небольшие расстояния (между блоками внутри компьютера, между компьютером и принтером) путем использования отдельной тактирующей линии связи: информация считывается только в момент прихода очередного тактового импульса. В компьютерных сетях отказываются от использования тактирующих импульсов по двум причинам: ради экономии проводников в дорогостоящих кабелях и из-за неоднородности характеристик проводников в кабелях (на больших расстояниях неравномерность скорости распространения сигналов может привести к рассинхронизации тактовых импульсов в тактирующей линии и информационных импульсов в основной линии, вследствие чего бит данных будет либо пропущен, либо считан повторно).

В настоящее время синхронизация передатчика и приемника в сетях достигается применением самосинхронизирующих кодов (СК). Кодирование передаваемых данных с помощью СК заключается в том, чтобы обеспечить регулярные и частые изменения (переходы) уровней информационного сигнала в канале. Каждый переход уровня сигнала от высокого к низкому или наоборот используется для подстройки приемника. Лучшими считаются такие СК, которые обеспечивают переход уровня сигнала не менее одного раза в течение интервала времени, необходимого на прием одного информационного бита. Чем чаще переходы уровня сигнала, тем надежнее осуществляется синхронизация приемника и увереннее производится идентификация принимаемых битов данных.

Указанные требования к способам цифрового кодирования дискретной информации являются в определенной степени взаимно противоречивыми, поэтому каждый из рассматриваемых ниже способов кодирования имеет свои преимущества и недостатки по сравнению с другими.

Самосинхронизирующие коды. Наиболее распространенными являются следующие СК:

Потенциальный код без возвращения к нулю (NRZ - Non Return to Zero);

Биполярный импульсный код (RZ-код);

Манчестерский код;

Биполярный код с поочередной инверсией уровня.

На рис. 32 представлены схемы кодирования сообщения 0101100 с помощью этих СК.

Для характеристики и сравнительной оценки СК используются такие показатели:

Уровень (качество) синхронизации;

Надежность (уверенность) распознавания и выделения принимаемых информационных битов;

Требуемая скорость изменения уровня сигнала в линии связи при использовании СК, если пропускная способность линии задана;

Сложность (и, следовательно, стоимость) оборудования, реализующего СК.

NRZ-код отличается простотой кодирования и низкой стоимостью реализации. Такое название он получил потому, что при передаче серий одноименных битов (единиц или нулей) сигнал не возвращается к нулю в течение такта, как это имеет место в других способах кодирования. Уровень сигнала остается неизменным для каждой серии, что существенно снижает качество синхронизации и надежность распознавания принимаемых битов (может произойти рассогласование таймера приемника по отношению к поступающему сигналу и несвоевременный опрос линий).

Для Ы^-кода имеют место соотношения

где VI - скорость изменения уровня сигнала в линии связи (бод);

У2 - пропускная способность линии связи (бит/ с).

Кроме того, что этот код не обладает свойством самосинхронизации, у него есть и другой серьезный недостаток: наличие низкочастотной составляющей, которая приближается к нулю при передаче длинных серий единиц или нулей. Вследствие этого код NRZ в чистом виде в сетях не используется. Применяются его различные модификации, в которых устраняют плохую самосинхронизацию кода и наличие постоянной составляющей.

RZ-код, или биполярный импульсный код (код с возвращением к нулю), отличается тем, что за время передачи одного информационного бита уровень сигнала меняется дважды независимо от того, передаются ли серии одноименных битов или поочередно изменяющихся битов. Единица представлена импульсом одной полярности, а ноль - другой. Каждый импульс длится половину такта. Такой код обладает отличными самосинхронизирующими свойствами, но стоимость его реализации довольно высокая, так как необходимо обеспечить соотношение

Спектр у RZ-кода шире, чем у потенциальных кодов. Из-за слишком широкого спектра он используется редко.

Манчестерский код обеспечивает изменение уровня сигнала при представлении каждого бита, а при передаче серий одноименных битов - двойное изменение. Каждый такт делится на две части. Информация кодируется перепадами потенциала, происходящими в середине каждого такта. Единица кодируется перепадом от низкого уровня сигнала к высокому, а ноль - обратным перепадом. Соотношение скоростей для этого кода такое:

Манчестерский код обладает хорошими самосинхронизирующими свойствами, так как сигнал изменяется по крайней мере один раз за такт передачи одного бита данных. Его полоса пропускания уже, чем у RZ-кода (в среднем в полтора раза). В отличие от биполярного импульсного кода, где для передачи данных используются три уровня сигнала (что иногда весьма нежелательно, например, в оптических кабелях устойчиво распознаются только два состояния - свет и темнота), в манчестерском коде - два уровня.

Манчестерский код широко применяется в технологиях Ethernet и Token Ring.

Биполярный код с поочередной инверсией уровня (код AMI) является одной из модификаций кода NRZ. В нем используются три уровня потенциала - отрицательный, нулевой и положительный. Единица кодируется либо положительным потенциалом, либо отрицательным. Для кодирования нуля используется нулевой потенциал. Код обладает хорошими синхронизирующими свойствами при передаче серий единиц, так как потенциал каждой новой единицы противоположен потенциалу предыдущей. При передаче серий нулей синхронизация отсутствует. Код AMI сравнительно прост в реализации. Для него

При передаче различных комбинаций бит на линии использование кода AMI приводит к более узкому спектру сигнала, чем для кода NRZ, а следовательно, и к более высокой пропускной способности линии.

Заметим, что улучшенные потенциальные коды (модернизированные манчестерский код и код AMI) обладают более узким спектром, чем импульсные, поэтому они находят применение в высокоскоростных технологиях, например в FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet.

Дискретная модуляция аналоговых сигналов. Как уже отмечалось, одной из тенденций развития современных компьютерных сетей является их цифровизация, т. е. передача в цифровой форме сигналов любой природы. Источниками этих сигналов могут быть компьютеры (для дискретных данных) или такие устройства, как телефоны, видеокамеры, видео- и звуковоспроизводящая аппаратура (для аналоговых данных). До недавнего времени (до появления цифровых сетей связи) в территориальных сетях все типы данных передавались в аналоговой форме, причем дискретные по своему характеру компьютерные данные с помощью модемов преобразовывались в аналоговую форму.

Однако передача информации в аналоговой форме не позволяет улучшить качество принимаемых данных, если имело место их существенное искажение при передаче. Поэтому на смену аналоговой технике записи и передаче звука и изображения пришла цифровая техника, которая использует дискретную модуляцию аналоговых сигналов.

Дискретная модуляция основана на дискретизации непрерывных сигналов как по амплитуде, так и по времени. Одним из широко распространенных методов преобразования аналоговых сигналов в цифровые является импульсно-кодовая модуляция (ИКМ), предложенная в 1938 г. А.Х. Ривсом (США).

При использовании ИКМ процесс преобразования включает три этапа: отображение, квантование и кодирование (рис. 33).

Первый этап - отображение. Амплитуда исходного непрерывного сигнала измеряется с заданным периодом, за счет чего происходит дискретизация по времени. На этом этапе аналоговый сигнал преобразуется в сигналы импульсно-амплитудной модуляции (ИАМ). Выполнение этапа базируется на теории отображения Найквиста-Котельникова, основное положение которой гласит: если аналоговый сигнал отображается (т. е. представляется в виде последовательности ее дискретных по времени значений) на регулярном интервале с частотой не менее чем в два раза выше частоты самой высокой гармоники спектра исходного непрерывного сигнала, то отображение будет содержать информацию, достаточную для восстановления исходного сигнала. В аналоговой телефонии для передачи голоса выбран диапазон от 300 до 3400 Гц, который достаточен для качественной передачи всех основных гармоник собеседников. Поэтому в цифровых сетях, где для передачи голоса реализуется метод ИКМ, принята частота отображения, равная 8000 Гц (это больше 6800 Гц, что обеспечивает некоторый запас качества).

На этапе квантования каждому сигналу ИАМ придается квантованное значение, соответствующее ближайшему уровню квантования. Весь диапазон изменения амплитуды сигналов ИАМ разбивается на 128 или 256 уровней квантования. Чем больше уровней квантования, тем точнее амплитуда ИАМ - сигнала представляется квантованным уровнем.

На этапе кодирования каждому квантованному отображению ставится в соответствие 7-разрядный (если число уровней квантования равно 128) или 8-разрядный (при 256- шаговом квантовании) двоичный код. На рис. 33 показаны сигналы 8-элементного двоичного кода 00101011, соответствующего квантованному сигналу с уровнем 43. При кодировании 7-элементными кодами скорость передачи данных по каналу должна составлять 56 Кбит/с (это произведение частоты отображения на разрядность двоичного кода), а при кодировании 8-элементными кодами - 64 Кбит/ с. Стандартным является цифровой канал 64 Кбит/ с, который называется также элементарным каналом цифровых телефонных сетей.

Устройство, которое выполняет указанные этапы преобразования аналоговой величины в цифровой код, называется аналого-цифровым преобразователем (АЦП). На приемной стороне с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) осуществляется обратное преобразование, т. е. производится демодуляция оцифрованных амплитуд непрерывного сигнала, восстановление исходной непрерывной функции времени.

В современных цифровых сетях связи используются и другие методы дискретной модуляции, позволяющие представить замеры голоса в более компактной форме, например, в виде последовательности 4-разряных чисел. Используется и такая концепция преобразования аналоговых сигналов в цифровые, при которой квантуются и затем кодируются не сами сигналы ИАМ, а лишь их изменения, причем число уровней квантования принимается таким же. Очевидно, что такая концепция позволяет производить преобразование сигналов с большей точностью.

Цифровые методы записи, воспроизведения и передачи аналоговой информации обеспечивают возможность контроля достоверности считанных с носителя или полученных по линии связи данных. С этой целью применяются те же методы контроля, что и для компьютерных данных (см. п. 4.9).

Передача непрерывного сигнала в дискретном виде предъявляет жесткие требования к синхронизации приемника. В случае несоблюдения синхронности исходный сигнал восстанавливается неверно, что приводит к искажениям голоса или передаваемого изображения. Если кадры с замерами голоса (или другой аналоговой величины) будут прибывать синхронно, то качество голоса может быть достаточно высоким. Однако в компьютерных сетях кадры могут задерживаться как в конечных узлах, так и в промежуточных коммутационных устройствах (мостах, коммутаторах, маршрутизаторах), что негативно сказывается на качестве передачи голоса. Поэтому для качественной передачи оцифрованных непрерывных сигналов используются специальные цифровые сети (ISDN, ATM, сети цифрового телевидения), хотя для передачи внутрикорпоративных телефонных разговоров и сегодня применяются сети Frame Relay, поскольку задержки передачи кадров в них находятся в допустимых пределах.

7. ФИЗИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

7.2. Методы передачи дискретных данных

При передаче дискретных данных по каналам связи применяются два основных типа физического кодирования - на основе синусоидального несущего сигнала и на основе последовательности прямоугольных импульсов. Первый способ часто называется также модуляцией или аналоговой модуляцией , подчеркивая тот факт, что кодирование осуществляется за счет изменения параметров аналогового сигнала. Второй способ называют цифровым кодированием . Эти способы отличаются шириной спектра результирующего сигнала и сложностью аппаратуры, необходимой для их реализации.

При использовании прямоугольных импульсов спектр результирующего сигнала получается весьма широким. Применение синусоиды приводит к более узкому спектру при той же скорости передачи информации. Однако для реализации модуляции требуется более сложная и дорогая аппаратура, чем для реализации прямоугольных импульсов.

В настоящее время все чаще данные, изначально имеющие аналоговую форму - речь, телевизионное изображение, - передаются по каналам связи в дискретном виде, то есть в виде последовательности единиц и нулей. Процесс представления аналоговой информации в дискретной форме называется дискретной модуляцией .

Аналоговая модуляция применяется для передачи дискретных данных по каналам с узкой полосой частот – канал тональной частоты (общественные телефонные сети). Этот канал передает частоты в диапазоне от 300 до 3400 Гц, таким образом, его полоса пропускания равна 3100 Гц.

Устройство, которое выполняет функции модуляции несущей синусоиды на передающей стороне и демодуляции на приемной стороне, носит название модем (модулятор-демодулятор ).

При амплитудной модуляции (рис. 27, б) для логической единицы выбирается один уровень амплитуды синусоиды несущей частоты, а для логического нуля - другой. Этот способ редко используется в чистом виде на практике из-за низкой помехоустойчивости, но часто применяется в сочетании с другим видом модуляции - фазовой модуляцией.

При частотной модуляции (рис. 27, в) значения 0 и 1 исходных данных передаются синусоидами с различной частотой – f 0 и f 1 ,. Этот способ модуляции не требует сложных схем в модемах и обычно применяется в низкоскоростных модемах, работающих на скоростях 300 или 1200 бит/с .

При фазовой модуляции (рис. 27, г) значения данных 0 и 1 соответствуют сигналам одинаковой частоты, но с различной фазой, например 0 и 180 градусов или 0, 90, 180, и 270 градусов.

В скоростных модемах часто используются комбинированные методы модуляции, как правило, амплитудная в сочетании с фазовой.

Рис. 27. Различные типы модуляции

Спектр результирующего модулированного сигнала зависит от типа и скорости модуляции.

Для потенциального кодирования спектр непосредственно получается из формул Фурье для периодической функции. Если дискретные данные передаются с битовой скоростью N бит/с, то спектр состоит из постоянной составляющей нулевой частоты и бесконечного ряда гармоник с частотами f 0 , 3f 0 , 5f 0 , 7f 0 , ... , где f 0 = N/2. Амплитуды этих гармоник убывают достаточно медленно - с коэффициентами 1/3, 1/5, 1/7, ... от амплитуды гармоники f 0 (рис. 28, а). В результате спектр потенциального кода требует для качественной передачи широкую полосу пропускания. Кроме того, нужно учесть, что реально спектр сигнала постоянно меняется в зависимости от характера данных. Поэтому спектр результирующего сигнала потенциального кода при передаче произвольных данных занимает полосу от некоторой величины, близкой к 0 Гц, до примерно 7f 0 (гармониками с частотами выше 7f 0 можно пренебречь из-за их малого вклада в результирующий сигнал). Для канала тональной частоты верхняя граница при потенциальном кодировании достигается для скорости передачи данных в 971 бит/с . В результате потенциальные коды на каналах тональной частоты никогда не используются.

При амплитудной модуляции спектр состоит из синусоиды несущей частоты f с и двух боковых гармоник: (f с + f m ) и (f c – f m ), где f m – частота изменения информационного параметра синусоиды, которая совпадает со скоростью передачи данных при использовании двух уровней амплитуды (рис. 28, б). Частота f m определяет пропускную способность линии при данном способе кодирования. При небольшой частоте модуляции ширина спектра сигнала будет также небольшой (равной 2f m ), поэтому сигналы не будут искажаться линией, если ее полоса пропускания будет больше или равна 2f m . Для канала тональной частоты такой способ модуляции приемлем при скорости передачи данных не больше 3100/2=1550 бит/с. Если же для представления данных используются 4 уровня амплитуды, то пропускная способность канала повышается до 3100 бит/с .

Рис. 28. Спектры сигналов при потенциальном кодировании

и амплитудной модуляции

При фазовой и частотной модуляции спектр сигнала получается более сложным, чем при амплитудной модуляции, так как боковых гармоник здесь образуется более двух, но они также симметрично расположены относительно основной несущей частоты, а их амплитуды быстро убывают. Поэтому эти виды модуляции также хорошо подходят для передачи данных по каналу тональной частоты.

При цифровом кодировании дискретной информации применяют потенциальные и импульсные коды. В потенциальных кодах для представления логических единиц и нулей используется только значение потенциала сигнала, а его перепады во внимание не принимаются. Импульсные коды позволяют представить двоичные данные либо импульсами определенной полярности, либо частью импульса - перепадом потенциала определенного направления.

При использовании прямоугольных импульсов для передачи дискретной информации необходимо выбрать такой способ кодирования, который одновременно достигал бы нескольких целей:

· имел при одной и той же битовой скорости наименьшую ширину спектра результирующего сигнала;

· обеспечивал синхронизацию между передатчиком и приемником;

· обладал способностью распознавать ошибки;

· обладал низкой стоимостью реализации.

Более узкий спектр сигналов позволяет на одной и той же линии добиваться более высокой скорости передачи данных. Часто к спектру сигнала предъявляется требование отсутствия постоянной составляющей.

При использовании синусоид в качестве несущего сигнала результирующий код обладает свойством самосинхронизации, так как изменение амплитуды несущей частоты дает возможность приемнику определить момент появления входного кода.

Требования, предъявляемые к методам кодирования, являются взаимно противоречивыми, поэтому каждый из рассматриваемых ниже популярных методов цифрового кодирования обладает своими преимуществами и своими недостатками по сравнению с другими.

На рис. 29, а показан метод потенциального кодирования, называемый также кодированием без возвращения к нулю (Non Return to Zero , NRZ ) . Последнее название отражает то обстоятельство, что при передаче последовательности единиц сигнал не возвращается к нулю в течение такта. Метод NRZ прост в реализации, обладает хорошей распознаваемостью ошибок (из-за двух резко отличающихся потенциалов), но не обладает свойством самосинхронизации. При передаче длинной последовательности единиц или нулей сигнал на линии не изменяется, поэтому приемник лишен возможности определять по входному сигналу моменты времени, когда нужно считывать данные. Даже при наличии высокоточного тактового генератора приемник может ошибиться с моментом съема данных, так как частоты двух генераторов никогда не бывают полностью идентичными. Поэтому при высоких скоростях обмена данными и длинных последовательностях единиц или нулей небольшое рассогласование тактовых частот может привести к ошибке в целый такт и, соответственно, считыванию некорректного значения бита.

Другим серьезным недостатком метода NRZ является наличие низкочастотной составляющей, которая приближается к нулю при передаче длинных последовательностей единиц или нулей. Из-за этого многие каналы связи, не обеспечивающие прямого гальванического соединения между приемником и источником, этот вид кодирования не поддерживают. В результате в чистом виде код NRZ в сетях не используется. Тем не менее используются его различные модификации, в которых устраняют как плохую самосинхронизацию кода NRZ, так и наличие постоянной составляющей. Привлекательность кода NRZ, из-за которой имеет смысл заняться его улучшением, состоит в достаточно низкой частоте основной гармоники f 0 , которая равна N/2 Гц. У других методов кодирования, например манчестерского, основная гармоника имеет более высокую частоту.

Рис. 29. Способы дискретного кодирования данных

Одной из модификаций метода NRZ является метод биполярного кодирования с альтернативной инверсией (Bipolar Alternate Mark Inversion , AMI ). В этом методе (рис. 29, б) используются три уровня потенциала - отрицательный, нулевой и положительный. Для кодирования логического нуля используется нулевой потенциал, а логическая единица кодируется либо положительным потенциалом, либо отрицательным, при этом потенциал каждой новой единицы противоположен потенциалу предыдущей.

Код AMI частично ликвидирует проблемы постоянной составляющей и отсутствия самосинхронизации, присущие коду NRZ. Это происходит при передаче длинных последовательностей единиц. В этих случаях сигнал на линии представляет собой последовательность разнополярных импульсов с тем же спектром, что и у кода NRZ, передающего чередующиеся нули и единицы, то есть без постоянной составляющей и с основной гармоникой N/2 Гц (где N - битовая скорость передачи данных). Длинные же последовательности нулей также опасны для кода AMI, как и для кода NRZ - сигнал вырождается в постоянный потенциал нулевой амплитуды. Поэтому код AMI требует дальнейшего улучшения.

В целом, для различных комбинаций бит на линии использование кода AMI приводит к более узкому спектру сигнала, чем для кода NRZ, а значит, и к более высокой пропускной способности линии. Например, при передаче чередующихся единиц и нулей основная гармоника f 0 имеет частоту N/4 Гц. Код AMI предоставляет также некоторые возможности по распознаванию ошибочных сигналов. Так, нарушение строгого чередования полярности сигналов говорит о ложном импульсе или исчезновении с линии корректного импульса. Такой сигнал называется запрещенным сигналом (signal violation ).

В коде AMI используются не два, а три уровня сигнала на линии. Дополнительный уровень требует увеличения мощности передатчика примерно на З дБ для обеспечения той же достоверности приема бит на линии, что является общим недостатком кодов с несколькими состояниями сигнала по сравнению с кодами, которые различают только два состояния.

Существует код, похожий на AMI, но только с двумя уровнями сигнала. При передаче нуля он передает потенциал, который был установлен в предыдущем такте (то есть не меняет его), а при передаче единицы потенциал инвертируется на противоположный. Этот код называется потенциальным кодом с инверсией при единице (Not Return to Zero with ones Inverted , NRZI ) . Этот код удобен в тех случаях, когда использование третьего уровня сигнала весьма нежелательно, например, в оптических кабелях, где устойчиво распознаются два состояния сигнала - свет и тень.

Кроме потенциальных кодов в сетях используются и импульсные коды, когда данные представлены полным импульсом или же его частью - фронтом. Наиболее простым случаем такого подхода является биполярный импульсный код , в котором единица представлена импульсом одной полярности, а ноль - другой (рис. 29, в). Каждый импульс длится половину такта. Такой код обладает отличными самосинхронизирующими свойствами, но постоянная составляющая может присутствовать, например, при передаче длинной последовательности единиц или нулей. Кроме того, спектр у него шире, чем у потенциальных кодов. Так, при передаче всех нулей или единиц частота основной гармоники кода будет равна N Гц, что в два раза выше основной гармоники кода NRZ и в четыре раза выше основной гармоники кода AMI при передаче чередующихся единиц и нулей. Из-за слишком широкого спектра биполярный импульсный код используется редко.

В локальных сетях до недавнего времени самым распространенным методом кодирования был так называемый манчестерский код (рис. 29, г). Он применяется в технологиях Ethernet и Token Ring .

В манчестерском коде для кодирования единиц и нулей используется перепад потенциала, то есть фронт импульса. При манчестерском кодировании каждый такт делится на две части. Информация кодируется перепадами потенциала, происходящими в середине каждого такта. Единица кодируется перепадом от низкого уровня сигнала к высокому , а ноль - обратным перепадом. В начале каждого такта может происходить служебный перепад сигнала, если нужно представить несколько единиц или нулей подряд. Так как сигнал изменяется, по крайней мере, один раз за такт передачи одного бита данных, то манчестерский код обладает хорошими самосинхронизирующими свойствами. Полоса пропускания манчестерского кода уже, чем у биполярного импульсного. У него также нет постоянной составляющей, а основная гармоника в худшем случае (при передаче последовательности единиц или нулей) имеет частоту N Гц, а в лучшем (при передаче чередующихся единиц и нулей) она равна N/2 Гц, как и у кодов AMI или NRZ. В среднем ширина полосы манчестерского кода в полтора раза уже, чем у биполярного импульсного кода, а основная гармоника колеблется вблизи значения 3N/4. Манчестерский код имеет еще одно преимущество перед биполярным импульсным кодом. В последнем для передачи данных используются три уровня сигнала, а в манчестерском - два.

На рис. 29, д показан потенциальный код с четырьмя уровнями сигнала для кодирования данных. Это код 2В1Q, название которого отражает его суть - каждые два бита (2В) передаются за один такт сигналом, имеющим четыре состояния (1Q). Паре бит 00 соответствует потенциал -2,5 В , паре бит 01 соответствует потенциал -0,833 В, паре 11 - потенциал +0,833 В, а паре 10 - потенциал +2,5 В. При этом способе кодирования требуются дополнительные меры по борьбе с длинными последовательностями одинаковых пар бит, так как при этом сигнал превращается в постоянную составляющую. При случайном чередовании бит спектр сигнала в два раза уже, чем у кода NRZ, так как при той же битовой скорости длительность такта увеличивается в два раза. Таким образом, с помощью кода 2В1Q можно по одной и той же линии передавать данные в два раза быстрее, чем с помощью кода AMI или NRZI. Однако для его реализации мощность передатчика должна быть выше, чтобы четыре уровня четко различались приемником на фоне помех.

При передаче дискретных данных по каналам связи применяются два основных типа физического кодирования - на основе синусоидального несущего сигнала и на основе последовательности прямоугольных импульсов. Первый способ часто называется также модуляцией или аналоговой модуляцией, подчеркивая тот факт, что кодирование осуществляется за счет изменения параметров аналогового сигнала. Второй способ обычно называют цифровым кодированием. Эти способы отличаются шириной спектра результирующего сигнала и сложностью аппаратуры, необходимой для их реализации.

При использовании прямоугольных импульсов спектр результирующего сигнала получается весьма широким. Это не удивительно, если вспомнить, что спектр идеального импульса имеет бесконечную ширину. Применение синусоиды приводит к спектру гораздо меньшей ширины при той же скорости передачи информации. Однако для реализации синусоидальной модуляции требуется более сложная и дорогая аппаратура, чем для реализации прямоугольных импульсов.

2.2.1. Аналоговая модуляция

Аналоговая модуляция применяется для передачи дискретных данных по каналам с узкой полосой частот, типичным представителем которых является канал тональной частоты, предоставляемый в распоряжение пользователям общественных телефонных сетей. Типичная амплитудно-частотная характеристика канала тональной частоты представлена на рис. 2.12. Этот канал передает частоты в диапазоне от 300 до 3400 Гц, таким образом, его полоса пропускания равна 3100 Гц. Хотя человеческий голос имеет гораздо более широкий спектр - примерно от 100 Гц до 10 кГц, -для приемлемого качества передачи речи диапазон в 3100 Гц является хорошим решением. Строгое ограничение полосы пропускания тонального канала связано с использованием аппаратуры уплотнения и коммутации каналов в телефонных сетях.

2.2. Методы передачи дискретных данных на физическом уровне 133

Устройство, которое выполняет функции модуляции несущей синусоиды на передающей стороне и демодуляции на приемной стороне, носит название модем (модулятор-демодулятор).

Методы аналоговой модуляции

Аналоговая модуляция является таким способом физического кодирования, при котором информация кодируется изменением амплитуды, частоты или фазы синусоидального сигнала несущей частоты. Основные способы аналоговой модуляции показаны на рис. 2.13. На диаграмме (рис. 2.13, а) показана последовательность бит исходной информации, представленная потенциалами высокого уровня для логической единицы и потенциалом нулевого уровня для логического нуля. Такой способ кодирования называется потенциальным кодом, который часто используется при передаче данных между блоками компьютера.

При амплитудной модуляции (рис. 2.13,6) для логической единицы выбирается один уровень амплитуды синусоиды несущей частоты, а для логического нуля - другой. Этот способ редко используется в чистом виде на практике из-за низкой помехоустойчивости, но часто применяется в сочетании с другим видом модуляции - фазовой модуляцией.

При частотной модуляции (рис. 2.13, в) значения 0 и 1 исходных данных передаются синусоидами с различной частотой - fo и fi. Этот способ модуляции не требует сложных схем в модемах и обычно применяется в низкоскоростных модемах, работающих на скоростях 300 или 1200 бит/с.

При фазовой модуляции (рис. 2.13, г) значениям данных 0 и 1 соответствуют сигналы одинаковой частоты, но с различной фазой, например 0 и 180 градусов или 0,90,180 и 270 градусов.

Глава 2 . Основы передачи дискретных данных

Спектр модулированного сигнала

Спектр результирующего модулированного сигнала зависит от типа модуляции и скорости модуляции, то есть желаемой скорости передачи бит исходной информации.

Рассмотрим сначала спектр сигнала при потенциальном кодировании. Пусть логическая единица кодируется положительным потенциалом, а логический ноль - отрицательным потенциалом такой же величины. Для упрощения вычислений предположим, что передается информация, состоящая из бесконечной последовательности чередующихся единиц и нулей, как это и показано на рис. 2.13, а. Заметим, что в данном случае величины бод и бит в секунду совпадают.

Для потенциального кодирования спектр непосредственно получается из формул Фурье для периодической функции. Если дискретные данные передаются с битовой скоростью N бит/с, то спектр состоит из постоянной составляющей нулевой частоты и бесконечного ряда гармоник с частотами fo, 3fo, 5fo, 7fo,..., где fo = N/2. Амплитуды этих гармоник убывают достаточно медленно - с коэффициентами 1/3, 1/5,1/7,... от амплитуды гармоники fo (рис. 2.14, а). В результате спектр потенциального кода требует для качественной передачи широкую полосу пропускания. Кроме того, нужно учесть, что реально спектр сигнала постоянно меняется в зависимости от того, какие данные передаются по линии связи. Например, передача длинной последовательности нулей или единиц сдвигает спектр в сторону низких частот, а в крайнем случае, когда передаваемые данные состоят только из единиц (или только из нулей), спектр состоит из гармоники нулевой частоты. При передаче чередующихся единиц и нулей постоянная составляющая отсутствует. Поэтому спектр результирующего сигнала потенциального кода при передаче произвольных данных занимает полосу от некоторой величины, близкой к 0 Гц, до примерно 7fo (гармониками с частотами выше 7fo можно пренебречь из-за их малого вклада в результирующий сигнал). Для канала тональной частоты верхняя граница при потенциальном кодировании достигается для скорости передачи данных в 971 бит/с, а нижняя неприемлема для любых скоростей, так как полоса пропускания канала начинается с 300 Гц. В результате потенциальные коды на каналах тональной частоты никогда не используются.

2.2. Методы передачи дискретных данных на физическом уровне 135

При амплитудной модуляции спектр состоит из синусоиды несущей частоты f c и двух боковых гармоник: (f c + f m) и (f c - f m), где f m - частота изменения информационного параметра синусоиды, которая совпадает со скоростью передачи данных при использовании двух уровней амплитуды (рис. 2.14,6). Частота f m определяет пропускную способность линии при данном способе кодирования. При небольшой частоте модуляции ширина спектра сигнала будет также небольшой (равной 2f m), поэтому сигналы не будут искажаться линией, если ее полоса пропускания будет больше или равна 2f m . Для канала тональной частоты такой способ модуляции приемлем при скорости передачи данных не больше 3100/2=1550 бит/с. Если же для представления данных используются 4 уровня амплитуды, то пропускная способность канала повышается до 3100 бит/с.

Для повышения скорости передачи данных используют комбинированные методы модуляции. Наиболее распространенными являются методы квадратурной амплитудной модуляции (Quadrature Amplitude Modulation, QAM). Эти методы основаны на сочетании фазовой модуляции с 8 значениями величин сдвига фазы и амплитудной модуляции с 4 уровнями амплитуды. Однако из возможных 32 комбинаций сигнала используются далеко не все. Например, в кодах Треллиса допустимы всего 6, 7 или 8 комбинаций для представления исходных данных, а остальные комбинации являются запрещенными. Такая избыточность кодирования требуется для распознавания модемом ошибочных сигналов, являющихся следствием искажений из-за помех, которые на телефонных каналах, особенно коммутируемых, весьма значительны по амплитуде и продолжительны по времени.

2.2.2. Цифровое кодирование

При цифровом кодировании дискретной информации применяют потенциальные и импульсные коды.

В потенциальных кодах для представления логических единиц и нулей используется только значение потенциала сигнала, а его перепады, формирующие законченные импульсы, во внимание не принимаются. Импульсные коды позволяют представить двоичные данные либо импульсами определенной полярности, либо частью импульса - перепадом потенциала определенного направления.

Требования к методам цифрового кодирования

Имел при одной и той же битовой скорости наименьшую ширину спектра результирующего сигнала;

Обеспечивал синхронизацию между передатчиком и приемником;

Обладал способностью распознавать ошибки;

Обладал низкой стоимостью реализации.

136 Глава 2 Основы передачи дискретных данных

Более узкий спектр сигналов позволяет на одной и той же линии (с одной и той же полосой пропускания) добиваться более высокой скорости передачи данных. Кроме того, часто к спектру сигнала предъявляется требование отсутствия постоянной составляющей, то есть наличия постоянного тока между передатчиком и приемником. В частности, применение различных трансформаторных схем гальванической развязки препятствует прохождению постоянного тока.

Синхронизация передатчика и приемника нужна для того, чтобы приемник точно знал, в какой момент времени необходимо считывать новую информацию с линии связи. Эта проблема в сетях решается сложнее, чем при обмене данными между близко расположенными устройствами, например между блоками внутри компьютера или же между компьютером и принтером. На небольших расстояниях хорошо работает схема, основанная на отдельной тактирующей линии связи (рис. 2.15), так что информация снимается с линии данных только в момент прихода тактового импульса. В сетях использование этой схемы вызывает трудности из-за неоднородности характеристик проводников в кабелях. На больших расстояниях неравномерность скорости распространения сигнала может привести к тому, что тактовый импульс придет настолько позже или раньше соответствующего сигнала данных, что бит данных будет пропущен или считан повторно. Другой причиной, по которой в сетях отказываются от использования тактирующих импульсов, является экономия проводников в дорогостоящих кабелях.

Поэтому в сетях применяются так называемые самосинхронизирующиеся коды, сигналы которых несут для передатчика указания о том, в какой момент времени нужно осуществлять распознавание очередного бита (или нескольких бит, если код ориентирован более чем на два состояния сигнала). Любой резкий перепад сигнала - так называемый фронт - может служить хорошим указанием для синхронизации приемника с передатчиком.

Распознавание и коррекцию искаженных данных сложно осуществить средствами физического уровня, поэтому чаще всего эту работу берут на себя протоколы, лежащие выше: канальный, сетевой, транспортный или прикладной. С другой стороны, распознавание ошибок на физическом уровне экономит время, так как приемник не ждет полного помещения кадра в буфер, а отбраковывает его сразу при распознавании ошибочных бит внутри кадра.

______________________________2.2. Методы передачи дискретных данных но физическом уровне _______137

Потенциальный код без возвращения к нулю

На рис. 2.16, а показан уже упомянутый ранее метод потенциального кодирования, называемый также кодированием без возвращения к нулю (Non Return to Zero, NRZ). Последнее название отражает то обстоятельство, что при передаче последовательности единиц сигнал не возвращается к нулю в течение такта (как мы увидим ниже, в других методах кодирования возврат к нулю в этом случае происходит). Метод NRZ прост в реализации, обладает хорошей распознаваемостью ошибок (из-за двух резко отличающихся потенциалов), но не обладает свойством самосинхронизации. При передаче длинной последовательности единиц или нулей сигнал на линии не изменяется, поэтому приемник лишен возможности определять по входному сигналу моменты времени, когда нужно в очередной раз считывать данные. Даже при наличии высокоточного тактового генератора приемник может ошибиться с моментом съема данных, так как частоты двух генераторов никогда не бывают полностью идентичными. Поэтому при высоких скоростях обмена данными и длинных последовательностях единиц или нулей небольшое рассогласование тактовых частот может привести к ошибке в целый такт и, соответственно, считыванию некорректного значения бита.

138 Глава 2 Основы передачи дискретных данных

щие прямого гальванического соединения между приемником и источником, этот вид кодирования не поддерживают. В результате в чистом виде код NRZ в сетях не используется. Тем не менее используются его различные модификации, в которых устраняют как плохую самосинхронизацию кода NRZ, так и наличие постоянной составляющей. Привлекательность кода NRZ, из-за которой имеет смысл заняться его улучшением, состоит в достаточно низкой частоте основной гармоники fo, которая равна N/2 Гц, как это было показано в предыдущем разделе. У других методов кодирования, например манчестерского, основная гармоника имеет более высокую частоту.

Метод биполярного кодирования с альтернативной инверсией

Одной из модификаций метода NRZ является метод биполярного кодирования с альтернативной инверсией (Bipolar Alternate Mark Inversion, AMI). В этом методе (рис. 2.16,6) используются три уровня потенциала - отрицательный, нулевой и положительный. Для кодирования логического нуля используется нулевой потенциал, а логическая единица кодируется либо положительным потенциалом, либо отрицательным, при этом потенциал каждой новой единицы противоположен потенциалу предыдущей.

В целом, для различных комбинаций бит на линии использование кода AMI приводит к более узкому спектру сигнала, чем для кода NRZ, а значит, и к более высокой пропускной способности линии. Например, при передаче чередующихся единиц и нулей основная гармоника fo имеет частоту N/4 Гц. Код AMI предоставляет также некоторые возможности по распознаванию ошибочных сигналов. Так, нарушение строгого чередования полярности сигналов говорит о ложном импульсе или исчезновении с линии корректного импульса. Сигнал с некорректной полярностью называется запрещенным сигналом (signal violation).

В коде AMI используются не два, а три уровня сигнала на линии. Дополнительный уровень требует увеличение мощности передатчика примерно на 3 дБ для обеспечения той же достоверности приема бит на линии, что является общим недостатком кодов с несколькими состояниями сигнала по сравнению с кодами, которые различают только два состояния.

Потенциальный код с инверсией при единице

2.2. Методы передачи дискретных данных на физическом уровне 139

(Non Return to Zero with ones Inverted, NRZI). Этот код удобен в тех случаях, когда использование третьего уровня сигнала весьма нежелательно, например в оптических кабелях, где устойчиво распознаются два состояния сигнала - свет и темнота. Для улучшения потенциальных кодов, подобных AMI и NRZI, используются два метода. Первый метод основан на добавлении в исходный код избыточных бит, содержащих логические единицы. Очевидно, что в этом случае длинные последовательности нулей прерываются и код становится самосинхронизирующимся для любых передаваемых данных. Исчезает также постоянная составляющая, а значит, еще более сужается спектр сигнала. Но этот метод снижает полезную пропускную способность линии, так как избыточные единицы пользовательской информации не несут. Другой метод основан на предварительном «перемешивании» исходной информации таким образом, чтобы вероятность появления единиц и нулей на линии становилась близкой. Устройства, или блоки, выполняющие такую операцию, называются скрэмблерами (scramble - свалка, беспорядочная сборка). При скремб-лировании используется известный алгоритм, поэтому приемник, получив двоичные данные, передает их на дескрэмблер, который восстанавливает исходную последовательность бит. Избыточные биты при этом по линии не передаются. Оба метода относятся к логическому, а не физическому кодированию, так как форму сигналов на линии они не определяют. Более детально они изучаются в следующем разделе.

Биполярный импульсный код

Кроме потенциальных кодов в сетях используются и импульсные коды, когда данные представлены полным импульсом или же его частью - фронтом. Наиболее простым случаем такого подхода является биполярный импульсный код, в котором единица представлена импульсом одной полярности, а ноль - другой (рис. 2.16, в). Каждый импульс длится половину такта. Такой код обладает отличными самосинхронизирующими свойствами, но постоянная составляющая может присутствовать, например, при передаче длинной последовательности единиц или нулей. Кроме того, спектр у него шире, чем у потенциальных кодов. Так, при передаче всех нулей или единиц частота основной гармоники кода будет равна N Гц, что в два раза выше основной гармоники кода NRZ и в четыре раза выше основной гармоники кода AMI при передаче чередующихся единиц и нулей. Из-за слишком широкого спектра биполярный импульсный код используется редко.

Манчестерский код

В локальных сетях до недавнего времени самым распространенным методом кодирования был так называемый манчестерский код (рис. 2.16, г). Он применяется в технологиях Ethernet и Token Ring.

140 Глава 2 Основы передачи дискретных данных _____________________________________________

самосинхронизирующими свойствами. Полоса пропускания манчестерского кода уже, чем у биполярного импульсного. У него также нет постоянной составляющей, а основная гармоника в худшем случае (при передаче последовательности единиц или нулей) имеет частоту N Гц, а в лучшем (при передаче чередующихся единиц и нулей) она равна N/2 Гц, как и у кодов AMI или NRZ. В среднем ширина полосы манчестерского кода в полтора раза уже, чем у биполярного импульсного кода, а основная гармоника колеблется вблизи значения 3N/4. Манчестерский код имеет еще одно преимущество перед биполярным импульсным кодом. В последнем для передачи данных используются три уровня сигнала, а в манчестерском - два.

Потенциальный код 2B1Q

На рис. 2.16, д показан потенциальный код с четырьмя уровнями сигнала для кодирования данных. Это код 2В1Q название которого отражает его суть - каждые два бита (2В) передаются за один такт сигналом, имеющим четыре состояния (1Q). Паре бит 00 соответствует потенциал -2,5 В, паре бит 01 соответствует потенциал -0,833 В, паре И - потенциал +0,833 В, а паре 10 - потенциал +2,5 В. При этом способе кодирования требуются дополнительные меры по борьбе с длинными последовательностями одинаковых пар бит, так как при этом сигнал превращается в постоянную составляющую. При случайном чередовании бит спектр сигнала в два раза уже, чем у кода NRZ, так как при той же битовой скорости длительность такта увеличивается в два раза. Таким образом, с помощью кода 2В1Q можно по одной и той же линии передавать данные в два раза быстрее, чем с помощью кода AMI или NRZI. Однако для его реализации мощность передатчика должна быть выше, чтобы четыре уровня четко различались приемником на фоне помех.

2.2.3. Логическое кодирование

Логическое кодирование используется для улучшения потенциальных кодов типа AMI, NRZI или 2Q1B. Логическое кодирование должно заменять длинные последовательности бит, приводящие к постоянному потенциалу, вкраплениями единиц. Как уже отмечалось выше, для логического кодирования характерны два метода - избыточные коды и скрэмблирование.

Избыточные коды

Избыточные коды основаны на разбиении исходной последовательности бит на порции, которые часто называют символами. Затем каждый исходный символ заменяется на новый, который имеет большее количество бит, чем исходный. Например, логический код 4В/5В, используемый в технологиях FDDI и Fast Ethernet, заменяет исходные символы длиной в 4 бита на символы длиной в 5 бит. Так как результирующие символы содержат избыточные биты, то общее количество битовых комбинаций в них больше, чем в исходных. Так, в коде 4В/5В результирующие символы могут содержать 32 битовых комбинации, в то время как исходные символы - только 16. Поэтому в результирующем коде можно отобрать 16 таких комбинаций, которые не содержат большого количества нулей, а остальные считать запрещенными кодами (code violation). Кроме устранения постоянной составляющей и придания коду свойства самосинхронизации, избыточные коды позволяют

2.2. Методы передачи дискретных данных на физическом уровне 141

приемнику распознавать искаженные биты. Если приемник принимает запрещенный код, значит, на линии произошло искажение сигнала.

Соответствие исходных и результирующих кодов 4В/5В представлено ниже.

Код 4В/5В затем передается по линии с помощью физического кодирования по одному из методов потенциального кодирования, чувствительному только к длинным последовательностям нулей. Символы кода 4В/5В длиной 5 бит гарантируют, что при любом их сочетании на линии не могут встретиться более трех нулей подряд.

Буква В в названии кода означает, что элементарный сигнал имеет 2 состояния - от английского binary - двоичный. Имеются также коды и с тремя состояниями сигнала, например, в коде 8В/6Т для кодирования 8 бит исходной информации используется код из б сигналов, каждый из которых имеет три состояния. Избыточность кода 8В/6Т выше, чем кода 4В/5В, так как на 256 исходных кодов приходится 3 6 =729 результирующих символов.

Использование таблицы перекодировки является очень простой операцией, поэтому этот подход не усложняет сетевые адаптеры и интерфейсные блоки коммутаторов и маршрутизаторов.

Для обеспечения заданной пропускной способности линии передатчик, использующий избыточный код, должен работать с повышенной тактовой частотой. Так, для передачи кодов 4В/5В со скоростью 100 Мб/с передатчик должен работать с тактовой частотой 125 МГц. При этом спектр сигнала на линии расширяется по сравнению со случаем, когда по линии передается чистый, не избыточный код. Тем не менее спектр избыточного потенциального кода оказывается уже спектра манчестерского кода, что оправдывает дополнительный этап логического кодирования, а также работу приемника и передатчика на повышенной тактовой частоте.

Скрэмблирование

Перемешивание данных скрэмблером перед передачей их в линию с помощью потенциального кода является другим способом логического кодирования.

Методы скрэмблирования заключаются в побитном вычислении результирующего кода на основании бит исходного кода и полученных в предыдущих тактах бит результирующего кода. Например, скрэмблер может реализовывать следующее соотношение:

Bi - Ai 8 Bi-з ф Bi. 5 ,

где bi - двоичная цифра результирующего кода, полученная на i-м такте работы скрэмблера, ai - двоичная цифра исходного кода, поступающая на i-м такте на

142 Глава 2 Основы передачи дискретных данных

вход скрэмблера, В^з и B t .5 - двоичные цифры результирующего кода, полученные на предыдущих тактах работы скрэмблера, соответственно на 3 и на 5 тактов ранее текущего такта, 0 - операция исключающего ИЛИ (сложение по модулю 2).

Например, для исходной последовательности 110110000001 скрэмблер даст следующий результирующий код:

bi = ai - 1 (первые три цифры результирующего кода будут совпадать с исходным, так как еще нет нужных предыдущих цифр)

Таким образом, на выходе скрэмблера появится последовательность 110001101111, в которой нет последовательности из шести нулей, присутствовавшей в исходном коде.

После получения результирующей последовательности приемник передает ее дескрэмблеру, который восстанавливает исходную последовательность на основании обратного соотношения:

Различные алгоритмы скрэмблирования отличаются количеством слагаемых, дающих цифру результирующего кода, и сдвигом между слагаемыми. Так, в сетях ISDN при передаче данных от сети к абоненту используется преобразование со сдвигами в 5 и 23 позиции, а при передаче данных от абонента в сеть - со сдвигами 18 и 23 позиции.

Существуют и более простые методы борьбы с последовательностями единиц, также относимые к классу скрэмблирования.

Для улучшения кода Bipolar AMI используются два метода, основанные на искусственном искажении последовательности нулей запрещенными символами.

На рис. 2.17 показано использование метода B8ZS (Bipolar with 8-Zeros Substitution) и метода HDB3 (High-Density Bipolar 3-Zeros) для корректировки кода AMI. Исходный код состоит из двух длинных последовательностей нулей: в первом случае - из 8, а во втором - из 5.

Код B8ZS исправляет только последовательности, состоящие из 8 нулей. Для этого он после первых трех нулей вместо оставшихся пяти нулей вставляет пять цифр: V-1*-0-V-1*. V здесь обозначает сигнал единицы, запрещенной для данного такта полярности, то есть сигнал, не изменяющий полярность предыдущей единицы, 1* - сигнал единицы корректной полярности, а знак звездочки отмечает тот

2.2. Методы передачи дискретных данных на физическом уровне 143

факт, что в исходном коде в этом такте была не единица, а ноль. В результате на 8 тактах приемник наблюдает 2 искажения - очень маловероятно, что это случилось из-за шума на линии или других сбоев передачи. Поэтому приемник считает такие нарушения кодировкой 8 последовательных нулей и после приема заменяет их на исходные 8 нулей. Код B8ZS построен так, что его постоянная составляющая равна нулю при любых последовательностях двоичных цифр.

Код HDB3 исправляет любые четыре подряд идущих нуля в исходной последовательности. Правила формирования кода HDB3 более сложные, чем кода B8ZS. Каждые четыре нуля заменяются четырьмя сигналами, в которых имеется один сигнал V. Для подавления постоянной составляющей полярность сигнала V чередуется при последовательных заменах. Кроме того, для замены используются два образца четырехтактовых кодов. Если перед заменой исходный код содержал нечетное число единиц, то используется последовательность OOOV, а если число единиц было четным - последовательность 1*OOV.

Улучшенные потенциальные коды обладают достаточно узкой полосой пропускания для любых последовательностей единиц и нулей, которые встречаются в передаваемых данных. На рис. 2.18 приведены спектры сигналов разных кодов, полученные при передаче произвольных данных, в которых различные сочетания нулей и единиц в исходном коде равновероятны. При построении графиков спектр усреднялся по всем возможным наборам исходных последовательностей. Естественно, что результирующие коды могут иметь и другое распределение нулей и единиц. Из рис. 2.18 видно, что потенциальный код NRZ обладает хорошим спектром с одним недостатком - у него имеется постоянная составляющая. Коды, полученные из потенциального путем логического кодирования, обладают более узким спектром, чем манчестерский, даже при повышенной тактовой частоте (на рисунке спектр кода 4В/5В должен был бы примерно совпадать с кодом B8ZS, но он сдвинут

144 Глово2 Основы передачи дискретных данных

в область более высоких частот, так как его тактовая частота повышена на 1/4 по сравнению с другими кодами). Этим объясняется применение потенциальных избыточных и скрэмблированных кодов в современных технологиях, подобных FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, ISDN и т. п. вместо манчестерского и биполярного импульсного кодирования.

2.2.4. Дискретная модуляция аналоговых сигналов

Одной из основных тенденций развития сетевых технологий является передача в одной сети как дискретных, так и аналоговых по своей природе данных. Источниками дискретных данных являются компьютеры и другие вычислительные устройства, а источниками аналоговых данных являются такие устройства, как телефоны, видеокамеры, звуко- и видеовоспроизводящая аппаратура. На ранних этапах решения этой проблемы в территориальных сетях все типы данных передавались в аналоговой форме, при этом дискретные по своему характеру компьютерные данные преобразовывались в аналоговую форму с помощью модемов.

Однако по мере развития техники съема и передачи аналоговых данных выяснилось, что передача их в аналоговой форме не позволяет улучшить качество принятых на другом конце линии данных, если они существенно исказились при передаче. Сам аналоговый сигнал не дает никаких указаний ни о том, что произошло искажение, ни о том, как его исправить, поскольку форма сигнала может быть любой, в том числе и такой, которую зафиксировал приемник. Улучшение же качества линий, особенно территориальных, требует огромных усилий и капиталовложений. Поэтому на смену аналоговой технике записи и передачи звука и изображения пришла цифровая техника. Эта техника использует так называемую дискретную модуляцию исходных непрерывных во времени аналоговых процессов.

Дискретные способы модуляции основаны на дискретизации непрерывных процессов как по амплитуде, так и по времени (рис. 2.19). Рассмотрим принципы искретной модуляции на примере импульсно-кодовой модуляции, ИКМ (Pulse Amplitude Modulation, РАМ), которая широко применяется в цифровой телефонии.

Амплитуда исходной непрерывной функции измеряется с заданным периодом - за счет этого происходит дискретизация по времени. Затем каждый замер представляется в виде двоичного числа определенной разрядности, что означает дискретизацию по значениям функции - непрерывное множество возможных значений амплитуды заменяется дискретным множеством ее значений. Устройство, которое выполняет подобную функцию, называется аналого-цифровым преобразователем (АЦП). После этого замеры передаются по каналам связи в виде последовательности единиц и нулей. При этом применяются те же методы кодирования, что и в случае передачи изначально дискретной информации, то есть, например, методы, основанные на коде B8ZS или 2В1Q.

На приемной стороне линии коды преобразуются в исходную последовательность бит, а специальная аппаратура, называемая цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП), производит демодуляцию оцифрованных амплитуд непрерывного сигнала, восстанавливая исходную непрерывную функцию времени.

Дискретная модуляции основана на теории отображения Найквиста - Котель-никова. В соответствии с этой теорией, аналоговая непрерывная функция, переданная в виде последовательности ее дискретных по времени значений, может быть точно восстановлена, если частота дискретизации была в два или более раз выше, чем частота самой высокой гармоники спектра исходной функции.

Если это условие не соблюдается, то восстановленная функция будет существенно отличаться от исходной.

Преимуществом цифровых методов записи, воспроизведения и передачи аналоговой информации является возможность контроля достоверности считанных с носителя или полученных по линии связи данных. Для этого можно применять те же методы, которые применяются для компьютерных данных (и рассматриваются более подробно далее), - вычисление контрольной суммы, повторная передача искаженных кадров, применение самокорректирующихся кодов.

Для качественной передачи голоса в методе ИКМ используется частота квантования амплитуды звуковых колебаний в 8000 Гц. Это связано с тем, что в аналоговой телефонии для передачи голоса был выбран диапазон от 300 до 3400 Гц, который достаточно качественно передает все основные гармоники собеседников. В соответствии с теоремой Найквиста - Котельткова для качественной передачи голоса

146 Глава 2 Основы передачи дискретных данных

достаточно выбрать частоту дискретизации, в два раза превышающую самую высокую гармонику непрерывного сигнала, то есть 2 х 3400 = 6800 Гц. Выбранная в действительности частота дискретизации 8000 Гц обеспечивает некоторый запас качества. В методе ИКМ обычно используется 7 или 8 бит кода для представления амплитуды одного замера. Соответственно это дает 127 или 256 градаций звукового сигнала, что оказывается вполне достаточным для качественной передачи голоса. При использовании метода ИКМ для передачи одного голосового канала необходима пропускная способность 56 или 64 Кбит/с в зависимости от того, каким количеством бит представляется каждый замер. Если для этих целей используется

7 бит, то при частоте передачи замеров в 8000 Гц получаем:

8000 х 7 = 56000 бит/с или 56 Кбит/с; а для случая 8-ми бит:

8000 х 8 - 64000 бит/с или 64 Кбит/с.

Стандартным является цифровой канал 64 Кбит/с, который также называется элементарным каналом цифровых телефонных сетей.

Передача непрерывного сигнала в дискретном виде требует от сетей жесткого соблюдения временного интервала в 125 мкс (соответствующего частоте дискретизации 8000 Гц) между соседними замерами, то есть требует синхронной передачи данных между узлами сети. При несоблюдении синхронности прибывающих замеров исходный сигнал восстанавливается неверно, что приводит к искажению голоса, изображения или другой мультимедийной информации, передаваемой по цифровым сетям. Так, искажение синхронизации в 10 мс может привести к эффекту «эха», а сдвиги между замерами в 200 мс приводят к потере распознаваемости произносимых слов. В то же время потеря одного замера при соблюдении синхронности между остальными замерами практически не сказывается на воспроизводимом звуке. Это происходит за счет сглаживающих устройств в цифро-аналоговых преобразователях, которые основаны на свойстве инерционности любого физического сигнала - амплитуда звуковых колебаний не может мгновенно измениться на большую величину.

На качество сигнала после ЦАП влияет не только синхронность поступления на его вход замеров, но и погрешность дискретизации амплитуд этих замеров.

8 теореме Найквиста - Котельникова предполагается, что амплитуды функции измеряются точно, в то же время использование для их хранения двоичных чисел с ограниченной разрядностью несколько искажает эти амплитуды. Соответственно искажается восстановленный непрерывный сигнал, что называется шумом дискретизации (по амплитуде).

Существуют и другие методы дискретной модуляции, позволяющие представить замеры голоса в более компактной форме, например в виде последовательности 4-битных или 2-битных чисел. При этом один голосовой канал требует меньшей пропускной способности, например 32 Кбит/с, 16 Кбит/с или еще меньше. С 1985 года применяется стандарт CCITT кодирования голоса, называемый Adaptive Differential Pulse Code Modulation (ADPCM). Коды ADPCM основаны на нахождении разностей между последовательными замерами голоса, которые затем и передаются по сети. В коде ADPCM для хранения одной разности используются 4 бит и голос передается со скоростью 32 Кбит/с. Более современный метод, Linear Predictive Coding (LPC), делает замеры исходной функции более редко, но использует методы прогнозирования направления изменения амплитуды сигнала. При помощи этого метода можно понизить скорость передачи голоса до 9600 бит/с.

2.2. Методы передачи дискретных данных на физическом уровне 147

Представленные в цифровой форме непрерывные данные легко можно передать через компьютерную сеть. Для этого достаточно поместить несколько замеров в кадр какой-нибудь стандартной сетевой технологии, снабдить кадр правильным адресом назначения и отправить адресату. Адресат должен извлечь из кадра замеры и подать их с частотой квантования (для голоса - с частотой 8000 Гц) на цифро-аналоговый преобразователь. По мере поступления следующих кадров с замерами голоса операция должна повториться. Если кадры будут прибывать достаточно синхронно, то качество голоса может быть достаточно высоким. Однако, как мы уже знаем, кадры в компьютерных сетях могут задерживаться как в конечных узлах (при ожидании доступа к разделяемой среде), так и в промежуточных коммуникационных устройствах - мостах, коммутаторах и маршрутизаторах. Поэтому качество голоса при передаче в цифровой форме через компьютерные сети обычно бывает невысоким. Для качественной передачи оцифрованных непрерывных сигналов - голоса, изображения - сегодня используют специальные цифровые сети, такие как ISDN, ATM, и сети цифрового телевидения. Тем не менее для передачи внутрикорпоративных телефонных разговоров сегодня характерны сети frame relay, задержки передачи кадров которых укладываются в допустимые пределы.

2.2.5. Асинхронная и синхронная передачи

При обмене данными на физическом уровне единицей информации является бит, поэтому средства физического уровня всегда поддерживают побитовую синхронизацию между приемником и передатчиком.

Канальный уровень оперирует кадрами данных и обеспечивает синхронизацию между приемником и передатчиком на уровне кадров. В обязанности приемника входит распознавание начала первого байта кадра, распознавание границ полей кадра и распознавание признака окончания кадра.

Обычно достаточно обеспечить синхронизацию на указанных двух уровнях - битовом и кадровом, - чтобы передатчик и приемник смогли обеспечить устойчивый обмен информацией. Однако при плохом качестве линии связи (обычно это относится к телефонным коммутируемым каналам) для удешевления аппаратуры и повышения надежности передачи данных вводят дополнительные средства синхронизации на уровне байт.

Такой режим работы называется асинхронным или старт-стопным. Другой причиной использования такого режима работы является наличие устройств, которые генерируют байты данных в случайные моменты времени. Так работает клавиатура дисплея или другого терминального устройства, с которого человек вводит данные для обработки их компьютером.

В асинхронном режиме каждый байт данных сопровождается специальными сигналами «старт» и «стоп» (рис. 2.20, а). Назначение этих сигналов состоит в том, чтобы, во-первых, известить приемник о приходе данных и, во-вторых, чтобы дать приемнику достаточно времени для выполнения некоторых функций, связанных с синхронизацией, до поступления следующего байта. Сигнал «старт» имеет продолжительность в один тактовый интервал, а сигнал «стоп» может длиться один, полтора или два такта, поэтому говорят, что используется один, полтора или два бита в качестве стопового сигнала, хотя пользовательские биты эти сигналы не представляют.

Асинхронным описанный режим называется потому, что каждый байт может быть несколько смещен во времени относительно побитовых тактов предыдущего

148 Глава 2 Основы передачи дискретных данных

байта. Такая асинхронность передачи байт не влияет на корректность принимаемых данных, так как в начале каждого байта происходит дополнительная синхронизация приемника с источником за счет битов «старт». Более «свободные» временные допуски определяют низкую стоимость оборудования асинхронной системы.

При синхронном режиме передачи старт-стопные биты между каждой парой байт отсутствуют. Пользовательские данные собираются в кадр, который предваряется байтами синхронизации (рис. 2.20, б). Байт синхронизации - это байт, содержащий заранее известный код, например 0111110, который оповещает приемник о приходе кадра данных. При его получении приемник должен войти в байтовый синхронизм с передатчиком, то есть правильно понимать начало очередного байта кадра. Иногда применяется несколько синхробайт для обеспечения более надежной синхронизации приемника и передатчика. Так как при передаче длинного кадра у приемника могут появиться проблемы с синхронизацией бит, то в этом случае используются самосинхронизирующиеся коды.

» При передаче дискретных данных по узкополосному каналу тональной частоты, используемому в телефонии, наиболее подходящими оказываются способы аналоговой модуляции, при которых несущая синусоида модулируется исходной последовательностью двоичных цифр. Эта операция осуществляется специальными устройствами - модемами.

* Для низкоскоростной передачи данных применяется изменение частоты несущей синусоиды. Более высокоскоростные модемы работают на комбинированных способах квадратурной амплитудной модуляции (QAM), для которой характерны 4 уровня амплитуды несущей синусоиды и 8 уровней фазы. Не все из возможных 32 сочетаний метода QAM используются для передачи данных, запрещенные сочетания позволяют распознавать искаженные данные на физическом уровне.

* На широкополосных каналах связи применяются потенциальные и импульсные методы кодирования, в которых данные представлены различными уровнями постоянного потенциала сигнала либо полярностями импульса или его фронта.

* При использовании потенциальных кодов особое значение приобретает задача синхронизации приемника с передатчиком, так как при передаче длинных последовательностей нулей или единиц сигнал на входе приемника не изменяется и приемнику сложно определить момент съема очередного бита данных.

___________________________________________2.3. Методы передачи донных канального уровня _______149

* Наиболее простым потенциальным кодом является код без возвращения к нулю (NRZ), однако он не является самосинхронизирующимся и создает постоянную составляющую.

» Наиболее популярным импульсным кодом является манчестерский код, в котором информацию несет направление перепада сигнала в середине каждого такта. Манчестерский код применяется в технологиях Ethernet и Token Ring.

» Для улучшения свойств потенциального кода NRZ используются методы логического кодирования, исключающие длинные последовательности нулей. Эти методы основаны:

На введении избыточных бит в исходные данные (коды типа 4В/5В);

Скрэмблировании исходных данных (коды типа 2B1Q).

» Улучшенные потенциальные коды обладают более узким спектром, чем импульсные, поэтому они находят применение в высокоскоростных технологиях, таких как FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet.