Конспект лекций по дисциплине «Сетевые технологии»

Из типичной амплитудно-частотной характеристики канала тональной частоты видно, что этот канал передает частоты в диапазоне от 300 до 3400 Гц, и таким образом, его полоса пропускания равна 3100 Гц (см. рис. 5.3).

Рис. 5.3 АЧХ канала тональной частоты

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.

Таким образом, для канала тональной частоты амплитудная модуляция обеспечивает скорость передачи данных не более чем 3100/2=1550бит/с. Если использовать несколько уровней информационного параметра (4 уровня амплитуды), то пропускная способность канала тональной частоты повышается в два раза.

Чаще всего аналоговое кодирование используется при передаче информации по каналу с узкой полосой пропускания, например по телефонным линиям в глобальных сетях. В локальных сетях оно применяется редко из-за высокой сложности и стоимости как кодирующего, так и декодирующего оборудования.

В настоящее время практически все оборудование, которое работает с аналоговыми сигналами, разрабатывается на базе дорогостоящих микросхем DSP (Digital Signal Procerssor). При этом после модуляции и передачи сигнала нужно проводить демодуляцию при приеме, а это опять дорогостоящее оборудование. Для выполнения функции модуляции несущей синусоиды на передающей стороне и демодуляции на приемной стороне, используется специальное устройство, которое так и называется модем (модулятор-демодулятор). Модем на 56000 бит/с стоит 100$, а сетевая карта на 100 Мбит/с стоит 10$.

В заключении приведем достоинства и недостатки аналоговой модуляции.

1. Аналоговая модуляция имеет много различных информационных параметров: амплитуда, фаза, частота. Каждый из этих параметров может принимать несколько состояний за одно изменение несущего сигнала. И, следовательно, результирующий сигнал может передавать большое количество бит за секунду.
2. Аналоговая модуляция обеспечивает результирующий сигнал с узким спектром, и поэтому она хороша там, где нужно работать на плохих линиях (с узкой полосой пропускания), она способна там обеспечивать высокою скоростью передачи. Аналоговая модуляция способна работать и на хороших линиях, здесь особенно важно еще одно достоинство аналоговой модуляции - возможность сдвигать спектр в нужную область, в зависимости от полосы пропускания используемой линии.
3. Аналоговая модуляция сложно реализуется и оборудование, которое занимается этим очень дорогостоящее.
4. Аналоговая модуляция применяется там, где без нее нельзя обойтись, но в локальных сетях используют другие методы кодирования, для реализации которых нужно простое и дешевое оборудование. Поэтому, чаще всего в локальных сетях при передаче данных в линиях связи используется второй метод физического кодирования - цифровое кодирование

 

5.2.Цифровое кодирование

Цифровое кодирование - представление информации прямоугольными импульсами. Для цифрового кодирования используют потенциальные и импульсные коды.

Потенциальные коды. В потенциальных кодах для представления логических единиц и нулей используются только значение потенциала сигнала в период такта, а его перепады, формирующие законченные импульсы, во внимание не принимаются. Важно только какое значение в период такта имеет результирующий сигнал.

Импульсные коды. Импульсные коды представляют логический ноль и логическую единицу либо импульсами определенной полярности, или частью импульса - перепадом потенциала определенного направления. В значение импульсного кода включается весь импульс вместе с его перепадами.

Определим требования к цифровому кодированию. Например, нам необходимо произвести передачу дискретных данных (последовательность логических нулей и единиц) с выхода одного компьютера - источника - ко входу другого компьютера - приемника по линии связи.

1. Для передачи данных мы имеем линии связи, которые не пропускают все частоты, они имеют определенные пропускные способности в зависимости от своего типа. Поэтому при кодировании данных нужно учитывать, чтобы в закодированные данные "пропускались" линией связи.

2. Последовательности дискретных данных необходимо закодировать в виде цифровых импульсов определенной частоты. При этом, конечно лучше всего добиться:

а) чтобы частоты закодированных сигналов были низкими, чтобы обеспечивать в общем случае соответствие полосам пропускания линий связи.

б) чтобы закодированные сигналы обеспечивали высокую скорость передачи.

Таким образом, хороший код должен иметь меньше Герц и больше бит за секунду.

3. Данные, которые необходимо передавать - это непредсказуемо изменяющиеся последовательности логических нулей и единиц.

Пусть мы определенным способом закодируем эти данные цифровыми импульсами, то как нам определить какая частота у результирующего сигнала? Для того, чтобы определить нам максимальную частоту цифрового кода достаточно рассмотреть результирующий сигнал при кодировании частных последовательностей таких как:

• последовательность логических нулей
• последовательность логических единиц
• чередующаяся последовательность логических нулей и единиц

Дальше необходимо разложить сигнал методом Фурье, найти спектр, определить частоты каждой гармоники и найти суммарную частоту сигнала при этом важно, чтобы основной спектр сигнала попадал в полосу пропускания линии связи. Чтобы не проделывать все эти вычисления достаточно попытаться определить основную гармонику спектра сигнала, для этого необходимо по форме сигнала угадать первую синусоиду, которая повторяет его контур его формы, затем найти период этой синусоиды. Период - это расстояние между двумя изменениями сигнала. Затем можно определить и частоту основной гармоники спектра сигнала как F = 1/T, где F - частота, Т - период сигнала. Для удобства дальнейших расчетов примем, что битовая скорость изменения сигнала равна N.

Такие расчеты можно провести для каждого метода цифрового кодирования, чтобы определить частоту результирующего сигнала. Результирующий сигнал в цифровом кодировании - это определенная последовательность прямоугольных импульсов. Чтобы представить последовательность прямоугольных импульсов в виде суммы синусоид для нахождения спектра, необходимо большое количество таких синусоид. Спектр последовательности прямоугольных сигналов, в общем случае, будет значительно более широким, по сравнению с модулированными сигналами.

Если применить цифровой код для передачи данных на канале тональной частоты, то 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.

Поэтому цифровые коды на каналах тональной частоты просто никогда не используются. Но зато они очень неплохо работают в локальных сетях, которые не используют для передачи данных телефонные линии.

Таким образом, цифровое кодирование требует для качественной передачи широкую полосу пропускания.

 4. При передачи информации по линиям связи от узла-источника к узлу-приемнику необходимо обеспечить такой режим передачи, при котором приемник всегда будет точно знать, в какой момент времени он принимает данные от источника, т.е нужно обеспечить синхронизацию источника и приемника. В сетях  проблема синхронизации решается сложнее, чем при обмене данными между блоками внутри компьютера или же между компьютером и принтером. На небольших расстояниях хорошо работает схема, основанная на отдельной тактирующей линии связи. В такой схеме информация снимается с линии данных только в момент прихода тактового импульса (см. рис.5.4).

Рис. 5.4 Синхронизация приемника и передатчика на небольших расстояниях

 

Такой вариант синхронизации абсолютно не подходит для любой сети 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. Еще одна причина, по которой в сетях отказываются от использования тактирующих импульсов, - экономия проводников в дорогостоящих кабелях. Поэтому в сетях применяются так называемые самосинхронизирующиеся коды.

Самосинхронизирующиеся коды - сигналы, которые несут для приемника 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. Примером самосинхронизирующегося кода может быть синусоида. Так как изменение амплитуды несущей частоты дает возможность приемнику определить момент появления входного кода. Но это касается аналоговой модуляции. В цифровом кодировании также существуют методы, которые создают самосинхронизирующиеся коды, но об этом позже.

Таким образом, хороший цифровой код должен обеспечивать синхронизацию

Рассмотрев требования к хорошему цифровому коду, перейдем к рассмотрению самих методов цифрового кодирования

 

5.2.1Потенциальный код без возвращения к нулю NRZ

Этот код получил такое название потому, 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).

Код NRZ (Non Return to Zero) - без возврата к нулю - это простейший двухуровневый код. Результирующий сигнал имеет два уровня потенциала:

Нулю соответствует нижний уровень, единице - верхний. Информационные переходы происходят на границе битов.

Рассмотрим три частных случая передачи данных кодом NRZ: чередующаяся последовательность нулей и единиц, последовательность нулей и последовательность единиц (см. рис. 5.5,а).

 

                                                    а                                                                   б

Рис. 5.5 Код NRZ

Попытаемся определить удовлетворяет ли этот код перечисленным требованиям. Для этого необходимо определить основную гармонику спектра при потенциальном кодировании в каждом из представленных случаев, чтобы точнее определить какие код NRZ имеет требования к используемой линии связи.

Первый случай - передается информация, состоящая из бесконечной последовательности чередующихся единиц и нулей (см. рис. 5.5,б).

Этот рисунок показывает, что при чередовании единиц и нулей за один такт будет передаваться два бита 0 и 1. При форме синусоиды показанной на рис. 4.22,б При N - битовой скорости передачи период этой синусоиды равен T = 2N. Частота основная гармоника в этом случае равна f0 = N/2.

Как видно, при такой последовательности этого кода скорость передачи данных вдвое превышает частоту сигнала.

При передаче последовательностей нулей и единиц результирующий сигнал - постоянный ток частота изменения сигнала равна нулю f0 = 0.

Спектр реального сигнала постоянно меняется в зависимости от того, какие данные передаются по линии связи и следует опасаться передач длинных последовательностей нулей или единиц, которые сдвигают спектр сигнала в сторону низких частот. Т.к. код NRZ при передаче длинных последовательностей нулей или единиц имеет постоянную составляющую.

Из теории сигналов известно, что к спектру передаваемого сигнала помимо требований к ширине, выдвигают еще одно очень важное требование - отсутствие постоянной составляющей (наличия постоянного тока между приемником и передатчиком), потому как применение различных трансформаторных развязок в линии связи не пропускает постоянный ток.

Следовательно, часть информации просто будет игнорироваться этой линией связи. Поэтому на практике всегда стараются избавиться от присутствия постоянной составляющей в спектре несущего сигнала уже на этапе кодирования.

Таким образом, мы определили еще одно требование к хорошему цифровому коду цифровой код не должен иметь постоянной составляющей.

Еще одним недостатком NRZ  является - отсутствие синхронизации. В этом случае помогут только дополнительные методы синхронизации, о которых мы поговорим позже.

Одним из основных достоинств кода NRZ является простота. Для того, чтобы сгенерировать прямоугольные импульсы необходимы два транзистора, а для осуществления аналоговой модуляции нужны сложные микросхемы. Потенциальный сигнал не надо кодировать и декодировать, поскольку такой же способ применяется и для передачи данных внутри компьютера.

В результате всего показанного выше сделаем несколько выводов, которые помогут нам и при рассмотрении других методов цифрового кодирования:

• NRZ очень прост в реализации, обладает хорошей распознаваемостью ошибок (из-за двух резко отличающихся потенциалов).
• NRZ имеет постоянную составляющую при передаче нулей и единиц, что делает его невозможным для передачи в линиях с трансформаторными развязками.
• NRZ - не самосинхронизирующийся код и это усложняет его передачу в любой линии.

Привлекательность кода NRZ, из-за которой имеет смысл заняться его улучшением, состоит в достаточно низкой частоте основной гармоники fо, которая равна N/2 Гц, как это было показано выше. Таким образом, код NRZ работает на низких частотах от 0 до N/2 Гц.

В результате в чистом виде код NRZ в сетях не используется. Тем не менее, используются его различные модификации, в которых с успехом устраняют как плохую самосинхронизацию кода NRZ, так и наличие постоянной составляющей.

Все рассматриваемые дальше коды - это модификация кода NRZ.

Следующие методы цифрового кодирования разрабатывались с целью каким-то образом улучшить возможность кода NRZ

 

5.2.2. Метод биполярного кодирования с альтернативной инверсией AMI

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

В этом методе используются три уровня потенциала - отрицательный, нулевой и положительный. Три уровня сигнала - это недостаток кода потому, чтобы  различить три уровня необходимо лучшее соотношение сигнал/шум на входе в приемник. 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 двухуровневыми кодами. В коде AMI для кодирования логического нуля используется нулевой потенциал, логическая единица кодируется либо положительным потенциалом, либо отрицательным, при этом потенциал каждой новой единицы противоположен потенциалу предыдущей.