Лекции по "Основы построения телекоммуникационных систем"

Лекция 10. Передача дискретных данных по каналам связи

 

 

Любая сетевая технология должна обеспечить надежную и быструю передачу дискретных данных по линиям связи. Выработаны общие  принципы передачи дискретных данных, которые обеспечивают эту задачу. Прежде уточним, что мы будем понимать под линиями связи –какие среды.

Типы линий связи

Линия связи в общем случае состоит  из физической среды, по которой передаются электрические информационные сигналы, аппаратуры передачи данных и промежуточной  аппаратуры

Состав линии связи

 

 АПД К другим узлам сети Физическая среда передачи данных

 (DCE)

 

 

Окон.

Оборудов. DCE ООД

Данных (DTE)

ООД Промежуточное оборудование линий связи (АПД)

(DTE)

 

 

Линия связи

 

 

DTE – Data Terminal Equipment

DCE - Data Circuit erminal Equipment

 

В зависимости от среды передачи данных линии связи подразделяются:

• Проводные воздушные ( провода без изоляции на подвесах)
• Кабельные (медные и волоконно-оптические)
• Радиоканалы наземной и спутниковой связи

 

Кабельные линии состоят из проводников, изолированных между собой. В компьютерных сетях применяют кабели на основе скрученных медных пар, коаксиальные кабели и ВОК.

Скрученная пара проводов называется витой парой, если без экранирования –UTP (Unshielded Twisted Pair) или экранированные – STP (Shielded Twisted Pair) Кабели различают по категориям: 1, 2, 3, 4, 5.

Категория 1 обеспечивает передачу сигналов с частотой до 20 Кбит/с

Категория 2 обеспечивает передачу сигналов до 1 МГц

Категория 3 – до 16 МГц

Категория 4 –до 20 МГц

Категория 5 – до 100 МГц

 

Коаксиальные кабели различают «толстые» -d=12 mm и «тонкие» d=5 mm с волновым сопротивлением 50 Ом или 75 Ом

Волоконно-оптические кабели бывают:

• многомодовые со ступенчатым показателем преломления (d=40-140 мкм), полоса пропускания 500-800  МГц/ км
• многомодовые с плавным изменением показателя преломления (d=40-140 мкм)
• Одномодовые (d=5-15 мкм) Затухание 0,2-0,3 дБ на 1 км на длине волны 1,55 мкм полоса пропускания –более  10 ГГц/км

Методы передачи дискретных данных на физическом уровне

При передаче дискретных данных применяют 2 вида кодирования: на основе гармонического несущего сигнала (аналоговая модуляция)  и на основе последовательности прямоугольных  импульсов (цифровое кодирование).

Аналоговая модуляция, как известно, подразделяется  на:

• Амплитудную AM (Amplitude Modulation)
• Частотную        FM (Frequency Modulation)
• Фазовую          PM (Phase Modulation)
• Комбинированную ( напр. Квадратурную амплитудную модуляцию КАМ (QAM)

Цифровое кодирование (Преобразование к коду передачи)

При цифровом кодировании применяют  потенциальные и импульсные коды.

В потенциальных кодах для представления  логических единиц и нулей используют 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.

Требования к методам цифрового  кодирования.

Необходимо выбирать такой способ кодирования, который одновременно достигал бы нескольких целей:

• имел наименьшую ширину спектра результирующего сигнала ( при одной и той же битовой скорости)
• Обеспечивал синхронизацию между передатчиком и приемником
• Обладал способностью распознавать ошибки
• Обладал низкой стоимостью реализации

Эти требования противоречивы, поэтому нельзя подобрать способ кодирования без каких-либо недостатков. Рассмотрим некоторые методы цифрового кодирования

 

 

0		1		0		1		1		0		0		0
Потенциальный код NRZ
Биполярный код AMI (NRZI)
Биполярный импульсный код
Манчестерский код
Потенциальный код 2B1Q

 

 

 

 

 

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

Достоинства: прост в реализации, хорошая распознаваемость ошибок, имеет частоту основной гармоники N/2

Недостатки: не обладает свойством самосинхронизации, имеет низкочастотную составляющую, что требует гальванического соединения между приемником и передатчиком

2. Биполярное кодирование с альтернативной инверсией (Bipolar Alternate Mark Inversion-AMI)

Использует 3 уровня потенциала отрицательный, нулевой и положительный. Для логического нуля используется нулевой потенциал, логическая 1  кодируется либо +, либо -, при этом каждый потенциал новой единицы противоположен потенциалу предыдущей.

Достоинства: не имеет проблем постоянной составляющей и отсутствия самосинхронизации, спектр равен N/4 при передаче чередующихся 0 и 1 .Имеет возможности по распознаванию ошибочных сигналов, поскольку имеет состояние запрещенного сигнала (signal violation)-  при нарушении строгого чередования полярности сигналов

Недостатки: опасны длинные последовательности  нулей, используется 3 уровня, что требует повышения мощности передатчика на 3 дБ для обеспечения той же достоверности приема бит на линии.

3. Потенциальный код с инверсией при единице.(Non Return to Zero wich ones Inverted, NRZI)

похож на AMI, но с 2-мя уровнями. Например для оптических кабелей используются 2 уровня- свет/ темнота.

Для улучшения потенциальных кодов  используются 2 метода:

1. Добавление в исходный код избыточных бит для исключения длинных последовательностей нулей
2. Предварительное перемешивание исходной информации таким образом, чтобы вероятность появления 0 и 1 была одинаковой. Устройства, которые это делают, называют скрэмблерами. При скрэмблировании используется известный алгоритм, с помощью которого на приемном конце восстанавливают сигнал. Избыточные биты при этом не передаются.
3. Оба метода относятся к логическому, а не физическому кодированию
4. Биполярный импульсный код. ( здесь 1 представлена Кодом одной полярности, а ноль –другой). Каждый импульс длится половину такта.

Достоинства:  Отличная самосинхронизация

Недостаток:  Слишком широкий спектр

5. Манчестерский код (применяется в технологии Ethernet и Token Ring)

       Для кодирования  0 и 1 используется перепад потенциала, т.е. фронт импульса При этом каждый такт делится на 2 части. Информация кодируется перепадами потенциала, проходящими в середине каждого такта. 1 кодируется перепадом от низкого уровня к высокому, а 0 – обратным перепадом. В начале каждого такта может происходить служебный перепад сигнала, если нужно представить несколько 0 или 1 подряд

Достоинства: хорошие самосинхронизирующие свойства. Полоса сигнала уже, чем  у биполярного импульсного; отсутствие постоянной составляющей; спектр –  N/2. Основная гармоника колеблется вблизи  3N/4, используется только 2 уровня.

6. Потенциальный код 2B1Q

 Использует 4 уровня кодирования.  Каждые 2 бита (2В) передаются за 1 такт  сигналом, имеющим 4 состояния  (1Q).

Достоинства: Данные можно передавать быстрее в 2 раза, чем  при AMI

Недостатки: Мощность передатчика должна быть выше, чтобы различать 4 уровня сигнала, Требуется борьба с длинными последовательностями одинаковых пар бит

Логическое кодирование

Логическое кодирование используется для улучшения потенциальных  кодов типа AMI, NRZI, 2B1Q.  Логическое кодирование должно заменять длинные последовательности бит, приводящие к постоянному потенциалу, вкраплениями единиц. Используются 2 метода:

-избыточные коды

-Скремблирование

Избыточные коды основаны на разбиении исходной последовательности бит на порции, которые называют символами. Затем каждый исходный символ заменяется на новый, который имеет большее число бит, чем исходный. Например, логический код 4В/5В заменяет исходные символы в 4 бита на символы длиной 5 бит.

Исходный код	Результирующий код	Исходный код	Результирующий код
0000	11110	1000	10010
0001	01001	1001	10011
0010	10100	1010	10110
0011	10101	1011	10111
0100	01010	1100	11010
0101	01011	1101	11011
0110	01110	1110	11100
0111	01111	1111	11101

 

Исходные 4 бита могут содержать 16 комбинаций, а 5 бит уже 32 комбинации. Поэтому в результирующем коде можно отобрать 16 комбинаций, не содержащих больше 3-х  нулей, а остальные считать запрещенными кодами (code violation) Теперь, если приемник принял запрещенную комбинацию, значит произошло искажение сигнала.

Имеются коды с 3-мя состояниями сигнала. Например, код 8В/6Т для кодирования 8 бит исходной информации использует код из 6 сигналов, каждый из которых  имеет 3 состояния, т.е. 2⁸= 256 состояния приходится 3⁶=729 символов.

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

Передатчик при этом должен работать с повышенной тактовой частотой. Так  для передачи кода 4В5В со скоростью 100 Мбит передатчик должен работать с частотой 125 Мбит.

 

Скрэмблирование.

Другим способом логического кодирования  является перемешивание данных скрэмблером  перед передачей их в линию.

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

Например

B_i =A_i  + B_i-3 + B_i-5,

Где B_i двоичная цифра результирующего кода, полученная на  I- том такте работы скрэмблера, A_{i  -} двоичная цифра исходного кода на I-том такте и т д.  + исключающее ИЛИ (сложение по модулю 2) Например, для исходной последовательности 110110000001 скрэмблер даст следующий результат.   ( далее пример)

 

B₁=A₁ = 1

B₂ =A₂ = 1

B₃ =A₃ =0

B₄ = A₄ + B₁ =1+1=0 Было  110110000001

B₅ = A₅ + B₂ = 1+1=0 Стало 110001101111

B₆ =A₆ +B₃ + B₁ =0+0+1=1

B₇ =A₇ +B₄ + B₂ = 0+0+1=1

B₈ =A₈ +B₅ + B₃ =0+0+0=0

B₉ =A₉ +B₆ + B₄=0+1+0=1

B₁₀ =A₁₀ +B₇ + B₅=0+1+0=1

B₁₁ =A₁₁+B₈ + B₆=0+0+1=1

B₁₂ =A₁₂ +B₉ + B₇=1+1+1=1

 

 

 

 

 

 

 

 

Таким образом, на выходе получается последовательность 110001101111, в которой нет последовательности из 6-ти нулей.

Дескрэмблер в приемнике восстановит  исходную последовательность. Сдвиги позиций при скрэмблировании  могут быть разные. Например, в  ISDN используется преобразование со сдвигами в 5 и 23 позиции в одном направлении и 18 и 23 – в другом.

Существуют и более простые  методы борьбы с последовательностями единиц, также относимые к классу скрэмблирования. Для улучшения  кода AMI используются 2 метода, основанные на искусственном искажении нулей запрещенными символами. , На рис. показано использование метода B8ZS ( Bipolar wich 8-Zeros Substitution)  и метода HDB3 (High-Density Bipolar 3-Zeros)/

Код B8ZS  исправляет только последовательности, состоящие из 8-ми нулей, причем оставлет первые 3 нуля, а в последующие 5 вставляет код V –1*-0-V-1*

V – означает сигнал единицы, запрещенный для данного такта полярности.1*  -означает единицу корректной полярности, а* - означает, что в исходном коде в этом такте была единица.

Код HDB3  заменяет любые идущие подряд 4 нуля в исходной последовательности по следующим правилам. Каждые 4 нуля заменяются 4-мя сигналами, в которых имеется 1 сигнал V. Для подавления постоянной составляющей полярность сигнала V чередуется при последовательных заменах. Кроме того, для замены используется 2 образца 4-х тактовых 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.