Система передачи дискретных сообщений

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекции по ПДИ для заочников/вечерников

ТЕМА 1. Система передачи дискретных сообщений и ее особенности

1.1 Краткая историческая справка

В начале XIX в. с развитием знаний по электричеству и магнетизму делались попытки создать телеграф на их основе. Однако первые проекты электростатического, электрохимического, электромагнитного телеграфов не имели широкого практического применения. Русскому ученому Шиллингу удалось создать первый в мире пригодный для использования телеграфный аппарат. Электромагнитный телеграфный аппарат, отличающийся высокой эффективностью, простотой конструкции и надежностью, был продемонстрирован им 9 октября 1832 г.

Опыты по применению электричества для передачи сообщений на расстояние велись и за границей. Наиболее удачными оказались работы американца С. Морзе, который в 1837 г. разработал пишущий аппарат, применив оригинальный код, который впоследствии стал первым стандартом в области кодирования.

Дальнейшее развитие телеграфного дела в России связано с именем Якоби, который в период с 1838 г. по 1852 г. разработал несколько оригинальных конструкций телеграфных аппаратов. В их числе и первый буквопечатающий аппарат, в котором были заложены основные принципы (равномерный код, распределители, синхронизация) телеграфного аппаратостроения. На железных дорогах телеграфная связь как средство регулирования движения поездов появилась в 1845 г.

В 1859 г. был предложен метод одновременной встречной работы (дуплекс), что позволило в 2 раза увеличить пропускную способность линий. В 1874 г. был разработан многократный синхронный аппарат, положивший начало применению временного разделения каналов (мультиплексирование).

Изобретение в 1895 г. радио А.С. Поповым открыло новую область применения телеграфа - радиотелеграф для связи с подвижными объектами.

В начале XX в. одним из основных направлений работ в области развития телеграфной техники было создание удобных в эксплуатации, надежных и малогабаритных аппаратов с клавиатурой типа пишущей машинки. Первый стартстопный аппарат был разработан в Америке в 1915 г.

Наряду с разработкой и совершенствованием оконечной аппаратуры велись работы по созданию аппаратуры частотного уплотнения линий связи. На ее основе в 1937 г. в Ленинграде были изготовлены первые отечественные системы тонального телеграфирования.

В начале 50-х годов XX в. начинается новый этап в развитии средств передачи дискретных сообщений. Наряду с дальнейшим совершенствованием телеграфной техники появляется новый вид связи - передача данных. Область применения этого вида связи очень широка. Это - управление перевозочным процессом на железнодорожном и других видах транспорта, централизованный учет почтовых операций, банковское и биржевое дело, управление материально-техническим обеспечением. На железнодорожном транспорте системы ПД составляют техническую основу автоматизированной системы управления железнодорожным транспортом (АСУЖТ), которая способствует совершенствованию системы управления эксплуатационной работой, увеличению пропускной способности станций и участков, повышению производительности труда.

В общей системе электросвязи МПС телеграфная связь и передача данных выступают как в роли общетехнологической связи (приказы, распоряжения, справочные и информационные системы, обращение к базам данных), так и в роли оперативно-технологической связи (предупреждения, телеграммы о розыске грузов, наличии свободных мест в пассажирских поездах и др.).

дискретный связь электрический кодирование

1.2 Особенности систем дискретной связи

Классическими представителями систем передачи дискретных сообщений являются такие виды электрической связи как телеграф и передача данных.

Телеграфная связь - служит для передачи коротких буквенно-цифровых, смысловых документов между людьми. Передача данных появилась в начале 50-х годов XXв. в США, как связь между ЭВМ в системах управления военными объектами. Она имеет дело с передачей формализованных цифровых данных между вычислительными машинами.

Сущность передаваемых документов, а также различие в применении сообщений накладывают отпечаток на основные характеристики этих систем связи.

1. Скорость передачи дискретных сигналов. Для телеграфной связи она составляет 50, 100, 200 импульсов/с. Скорость ввода и вывода информации при этом составляет от 400 до 1600 знаков/мин, что соответствует физиологическим возможностям человека по восприятию информации. В системах передачи данных скорость передачи сигналов достигает значений в десятки и сотни тысяч импульсов в секунду, что приближается к скоростям ввода и вывода информации в ЭВМ.

2. Требования к точности приема дискретных сообщений, определяемые допустимым значением вероятности ошибочного приема символов. В телеграфной связи допускается наличие трех ошибок на 100 тыс. принятых знаков. В большинстве случаев эти ошибки могут быть исправлены человеком благодаря смысловой избыточности языка. В передаче данных нормы по вероятности ошибочного приема знака значительно жестче и составляют от одной ошибки на 100 тыс. символов до одной ошибки на 100 млн. символов. Столь жесткие требования объясняются тем, что любая последовательность цифр, принимаемая ЭВМ, имеет смысл. Замена любой из них приводит к неверным результатам расчетов и, как следствие, к ошибочным решениям.

Несмотря на функциональные различия и разные требования по скорости и точности передачи, и телеграф, и передача данных имеют много общего. Это и терминология, и единый импульсно-кодовый метод передачи, и методы защиты от ошибок, и некоторые технические решения.

1.3 Структурная схема системы передачи дискретной информации

Как и любая система связи, система ПДИ включает в себя в общем виде передатчик, канал связи и приемник (рис.1.1). Передатчик обеспечивает преобразование сообщения-оригинала в сигнал, канал переносит этот сигнал из одной точки пространства в другую в помехоактивной среде, приемник выполняет обратное преобразование сигнала в сообщение-копию, выдавая его получателю сообщения.

Рис. 1.1

Вначале осуществляется кодирование кодирующим устройством КУ, а затем - дискретная модуляция модулятором М. На приеме вначале осуществляется регистрация регистрирующим устройством РУ, а затем декодирование декодирующим устройством ДУ. Таким образом, каждый элемент сообщения х сначала превращается в кодовую комбинацию р, а затем уже в электрический сигнал z_пeр. Принятый электрический сигнал z_пр превращается в кодовую комбинацию q, а затем - в элемент сообщения у. В системе ПДИ имеют место два взаимообратных процесса: кодирование-декодирование и дискретная модуляция-регистрация.

Принятый электрический сигнал z_пр отличается от переданного сигнала z_пер вследствие его ослабления при прохождении по среде передачи (провод, эфир, оптическое волокно), действия внешних и внутренних электромагнитных полей (помехи), запаздывания во времени. Поэтому приемник не всегда может точно выполнить обратное преобразование электрического сигнала в сообщение и принятая кодовая комбинация q может отличаться от переданной р. Отсюда и сообщение-копия может отличаться от сообщения-оригинала.

Необходимо так спроектировать, построить и эксплуатировать систему ПДИ, чтобы эти различия были минимальными, т.е. следует стремиться к выполнению условия

(у - х) min

C обеих сторон системы ПДИ должны быть передатчик и приемник (рис. 1.2) и обмен сообщениями надо осуществлять либо по двум разнонаправленным каналам (симплекс, рис. 1.2, а), либо по одному каналу поочередно в противоположных направлениях (полудуплекс, диалоговый режим работы, рис. 1.2, б), либо вести одновременную встречную передачу (дуплекс, двусторонний монолог, рис. 1.2, в).



Рис. 1.2

ТЕМА 2. Преобразование элементов дискретного сообщения в электрические сигналы

2.1 Кодирование. Основные понятия и определения

В общем случае под термином кодирование понимают замену символов одной графической системы символами другой графической системы. Графические системы могут быть знаковые и числовые. Знаковые системы в качестве элементов используют буквы или условные символы. Знаковым системам присуще определенное конечное количество символов, определяемое азбукой.

Числовые системы более разнообразны, так как числа могут иметь различные основания (десятичная, троичная и др.). Числовые системы строятся единообразно, по одному и тому же закону, который определяет любое число как сумму произведений значащих цифр системы счисления на основание в степени от 0 до (n-1), т.е.

где n - количество разрядов числа; А - значащие цифры системы счисления; а -- основание системы счисления.

Условные обозначения, основание и значащие цифры двоичной, десятичной и шестнадцатеричной систем счисления приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Система счисления	Основание a	Значащие цифры A
Двоичная (B)	2	0; 1
Десятичная (D)	10	0; 1; 2; 3; 4; 5; 6; 7; 8; 9
Шестнадцатеричная (H)	16	0; 1; 2; 3; 4; 5; 6; 7; 8; 9; A; B; C; D; E; F

Пример

Возьмем число 170 в десятичной системе счисления. В шестнадцатеричной системе это будет AA, а в двоичной 10101010. Т.е. 170D=AAH=10101010B.

170D=110²+710¹+010⁰ ,

AAH=A16¹+A16⁰ ,

10101010B=12⁷+02⁶+12⁵+02⁴+12³+02²+12¹+02⁰.

Количество значащих цифр конечно, но их разнообразие сильно зависит от основания. В десятичных цифрах это 10, в троичных - 3, в двоичных - 2. Это очень существенно для кодирования в системах связи потому, что разнообразие значений информационного параметра сигнала определяется основанием выбранной числовой системы, что очень влияет на помехоустойчивость и техническую реализацию оконечных устройств.

С этих позиций в системах передачи дискретных сообщений при кодировании предпочтение отдают двоичным системам счисления. Теперь под кодированием будем понимать замену графических и функциональных символов сообщения двоичными числами.

Графические символы - это буквы той или иной азбуки, арифметические знаки, десятичные цифры, грамматические и коммерческие знаки.

Функциональные символы - это команды управления органами печати аппарата, разделители и указатели информации, символы расширения алфавита, символы-заполнители, синхросигналы и пр.

Основными понятиями в области кодирования являются: кодовая комбинация, элемент кодовой комбинации, код, кодовая таблица.

Кодовая комбинация (кодовое слово, кодовый вектор) - двоичное число, соответствующее одному графическому или функциональному символу (знаку) сообщения.

Код - совокупность правил и условий, по которым формируются, передаются и обрабатываются кодовые комбинации.

Основу кода составляет кодовая таблица (алфавит кода), устанавливающая графическое соответствие между знаками передаваемого сообщения и двоичными числами. Они могут быть простыми, когда передаваемый символ и двоичное число записываются построчно, и перекрестными (матричными), когда передаваемый символ находится на пересечении строк и столбцов таблицы.

2.2 Классификация кодов и их параметры

Для оценки свойств кодов и их классификации вводят следующие основные параметры.

Множество кодовых комбинаций (слов, векторов) -V_k= { ₁, ₂, ₃...}. Это весь набор возможных кодовых комбинаций.

Основание кода а -- количество значений, которое может принять любой элемент кодовой комбинации. Численно оно всегда равно основанию выбранной системы счисления. По этому параметру коды делятся на двоичные, для которых а = 2, и многоосновные, для которых а > 2. В системах передачи дискретных сообщений применяют исключительно двоичные коды.

Длина кодовой комбинации п представляет собой количество элементов комбинации, количество разрядов двоичного числа. В составе комбинации могут быть информационные элементы k, проверочные (контрольные) элементы r и служебные s. Тогда п = k + r + s. По этому параметру коды делятся на равномерные (п = const) и неравномерные (п = var). Чаще применяются равномерные коды. Для них общее число комбинаций связано с основанием и длиной следующим соотношением: S₀ = аⁿ. Для двоичных кодов S₀ = 2ⁿ.

Вес кодовой комбинации w - это число ненулевых элементов в комбинации, для двоичных кодов - число единиц в ней.

Кодовое расстояние между двумя комбинациями d(v_i, v_j) - количество элементов, в которых одна комбинация отличается от другой. Для двоичных кодов это вес суммы по mod2 двух сравниваемых комбинаций, т.е.

d(v_i, v_j) = w(v_i, v_j) mod2.

Кодовое расстояние определяет меру отличия одной кодовой комбинации от другой.

По минимальному значению этого параметра коды делятся на простые, для которых d = 1, и корректирующие, для которых d ? 2.

Для выполнения алгебраических операций над кодовыми комбинациями (сложение, умножение и др.) их представляют в виде многочленов (полиномов) некоторой фиктивной переменной х, заменяющей собой основание системы счисления. Тогда любая двоичная n-элементная комбинация может быть представлена в виде полинома степени не выше (n-1) с числом членов, равным весу этой комбинации. Например, комбинация 10011001 (В) представляется суммой 1x⁷ + 0x⁶ + 0x⁵ + 1x⁴ + 1x³ + 0x² + 0x¹ + 1x⁰ и с учетом отсутствия нулевых членов и умножения остальных членов на единицу может быть записана многочленом

A(x)= x⁷ + x⁴ + x³ + 1,

число членов которого (четыре) равно ее весу, т.е. w = 4.

2.3 Стандартные первичные коды

Пятиэлементные коды. Международный телеграфный код N2 (МТК-2) появился в 1932 г. и до сих пор используется для телеграфной передачи. Это двоичный (а = 2), простой [d = 1], равномерный (n = const), пятиэлементный (k = 5) код для передачи буквенно-цифровой информации.

Поскольку число комбинаций S₀=2⁵=32 недостаточно для этого, введены два регистра: буквы (регистр 1) и цифры (регистр 2). Это дает возможность расширения кода за счет того, что одна комбинация может применяться для передачи двух графических символов. Первые 26 позиций таблицы отданы под графические символы, что дает в двух регистрах возможность получить 52 знака.

Код МТК-2 удобен для телеграфной передачи. Однако в нем мало функциональных символов, отсутствует деление букв на прописные и строчные, не хватает некоторых арифметических и грамматических символов.

Семиэлементные коды. Недостатки кода МТК-2 были устранены удлинением кодовых комбинаций и, как следствие, увеличением их количества до 2⁷ = 128. За основу был взят американский стандартный код для обмена информацией (ASCII). Это двоичный (а = 2), простой [d =1], равномерный (n = const), семиэлементный (k = 7) код, применяемый для телеграфной передачи и передачи данных. В нашей стране этот код с русским алфавитом известен как семиэлементный код для обработки информации КОИ-7.

Благодаря наличию большего количества комбинаций семиэлементные коды получили следующие преимущества по сравнению с пятиэлементными:

- резко возросло количество функциональных символов (до 32) для управления печатающими устройствами и ЭВМ;

- появились дополнительные арифметические и грамматические знаки;

- десятичные цифры удалось упорядочить и представить четырехразрядными двоичными числами;

- повысить качество текстовых документов введением строчных и прописных букв.



Рис. 2.1

Unicode (Universal code). Возник совсем недавно в системах передачи данных. Это шестнадцатиэлементный код, число кодовых комбинаций будет соответственно 2¹⁶=65536. В таблицу этого кода включены:

- буквы латинского алфавита;

- буквы греческого алфавита;

- буквы арабского алфавита;

- иврит;

- кириллица (русский алфавит);

- знаки пунктуации;

- технические знаки;

- символы рамок;

- цифры и арифметические знаки;

- коммерческие знаки;

- декоративные символы и др.

Рис. 2.2

2.4 Дискретная модуляция

Дискретная модуляция является второй операцией в цепочке преобразования дискретного сообщения в электрический сигнал.

Для формирования сигнала необходим некоторый переносчик, способный существовать и распространяться в линии связи. В системах связи это постоянный или переменный ток (аналоговые системы передачи), электромагнитное поле (радиосистемы), периодическая последовательность высокочастотных импульсов (коаксиальные и волоконно-оптические кабели) и др.

Под дискретной модуляцией понимают изменение во времени одного или нескольких квантованных параметров переносчика в соответствии со значениями элементов кодовой комбинации, отображающей символ сообщения.

В результате этой операции образуется дискретный электрический сигнал как дискретная функция дискретного времени. Это значит, что любому значению элемента кодовой комбинации соответствует определенное значение параметра сигнала, который сохраняется неизменным на определенном отрезке времени и изменяется через некоторые интервалы.

В теории ПДИ различают следующие понятия, связанные с дискретной модуляцией: значащая позиция, значащий момент, единичный интервал, значащий интервал. Первые два из них относятся к изменению значений параметра (ось ординат), а вторые два - к временным интервалам (ось абсцисс).

Значащая позиция (ЗнП) - определенное значение параметра сигнала, соответствующее одному из значений элемента кодовой комбинации. Количество значащих позиций всегда равно основанию кода. Различают понятия: значащая позиция модуляции (ЗнПМ) на передаче и значащая позиция восстановления (ЗнПВ) на приеме.

Значащий момент (ЗнМ) - мгновение времени, в которое происходит изменение значащей позиции. Как и в первом случае, различают ЗнММ на передаче и ЗнМВ на приеме.

Единичный интервал (ЕИ) - определенный отрезок времени, на котором параметр сигнала, соответствующий одной цифре кодового числа, остается неизменным. Это отрезок временной оси, принятый для конкретного случая за эталон.

Значащий интервал (ЗИ) - некоторый отрезок времени, взятый между смежными значащими моментами. В идеальном случае значащий интервал включает в себя целое число единичных интервалов.

Получившийся в результате дискретной модуляции электрический сигнал представляет собой набор импульсов напряжения или тока с определенным значением информационного параметра. Здесь вводят еще одно понятие - элементарный импульс t₀, или элемент сигнала, под которым понимают импульс напряжения или тока длительностью в единичный интервал.

2.5 Виды дискретной модуляции

Используя в качестве переносчика постоянный и переменный ток и изменяя (модулируя) различные параметры переносчика, можно получить большое разнообразие видов дискретной модуляции. При этом различают параметрические и относительные виды модуляции.

Если значащие позиции любого импульса выбираются и оцениваются в соответствии с заранее обусловленными значениями параметра переносчика (амплитуда, частота, фаза и др.), то такие виды модуляции называют параметрическими.

Если значащая позиция i-го импульса выбирается и оценивается по отношению к значащей позиции предыдущего (i-l)-гo импульса, то такие виды модуляции называют относительными.

При постоянном токе модулируемыми параметрами могут быть значение и направление тока. В первом случае имеет место однополюсная модуляция (ОПМ), во втором - двухполюсная модуляция (ДПМ). При переменном токе модулируемыми параметрами могут быть амплитуда, частота и начальная фаза. В соответствии с этим различают амплитудную модуляцию (AM), частотную модуляцию (ЧМ) и фазовую модуляцию (ФМ).

На рис. 2.3 показаны сигналы, соответствующие названным выше параметрическим видам модуляции, при передаче комбинации 010110.



Рис.2.3

На рис. 2.3, а представлен сигнал при ОПМ. На рисунке обозначены значащие позиции, значащие моменты модуляции, единичные интервалы и значащие интервалы. То же самое показано для ДПМ на рис. 2.1, б. Как видно из сравнения этих рисунков, разница между значащими позициями в случае ДПМ в 2 раза больше, чем в случае ОПМ. Этим и объясняется большая помехоустойчивость сигналов ДПМ.

В табл. представлены значения параметра переносчика, соответствующие значащей позиции 1 и значащей позиции 0 для разных видов дискретной модуляции.



Рис. 2.4

При использовании переменного тока в качестве переносчика в параметрических видах модуляции за эталон берется определенное значение информационного параметра, и значащие позиции определяются сравнением истинного значения параметра с эталонным. При AM - это порог срабатывания входного устройства приемника, при ЧМ - это средняя частота канала, при ФМ - это опорная (эталонная) фаза в пределах элементарного импульса. На рис. 2.3, в, г, д показаны сигналы соответственно с AM, ЧМ и ФМ, а правила формирования значащих позиций для них даны в табл.

Дискретные сигналы с использованием в качестве переносчика переменного тока применяются для передачи информации по физическим цепям и каналам тональной частоты.

С точки зрения технической реализации модемов преимущество имеет AM, но помехоустойчивость ее сравнительно низкая. Лучшей в этом смысле является ФМ, но для ее реализации необходимо иметь высокостабильный генератор опорного колебания, что делает систему дороже. Поэтому оконечные устройства строят с применением ЧМ.

2.6 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. В результате спектр потенциального кода требует для качественной передачи широкую полосу пропускания. 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.

Спектры сигналов при потенциальном кодировании и амплитудной модуляции

Рис. 2.5

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. 2.5, 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.

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.

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.

2.7 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

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 (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. 2.6), 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.

Синхронизация приемника и передатчика на небольших расстояниях

Рис. 2.6

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.

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.

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.

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.

2.7.1 Потенциальный код без возвращения к нулю

На рис. 2.7, 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.

Способы дискретного кодирования данных

Рис. 2.7

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 f₀, которая равна N/2 Гц, как это было показано в предыдущем разделе. У других методов кодирования, например манчестерского, основная гармоника имеет более высокую частоту.

2.7.2 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. 2.7, 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, хотя задача упрощается - осталось справиться только с последовательностями нулей.

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.

2.7.3 Потенциальный код с инверсией при единице

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 (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 трамблерами (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.

2.7.4 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. 2.7, 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.

2.7.5 Манчестерский код

В локальных сетях до недавнего времени самым распространенным методом кодирования был так называемый манчестерский код (рис. 2.7, 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.

2.7.6 Потенциальный код 2B1Q

На рис. 2.7, д показан потенциальный код с четырьмя уровнями сигнала для кодирования данных. Это код 2B1Q, 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 2B1Q 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.

ТЕМА 3. Прохождение дискретных сигналов по линии

3.1 Методы передачи элементов сигнала

Сформированный электрический сигнал состоит из элементарных импульсов t₀, которые, в зависимости от количества проводов линии, могут передаваться последовательно или параллельно.

При однопроводной линии импульсы следуют по ней в порядке их формирований последовательно друг за другом. Для передачи всей кодовой комбинации потребуется время, пропорционально ее длине, т.е. T_k = nt₀.

Рис. 3.1

Если линия содержит столько проводов, сколько импульсов в кодовой комбинации, то импульсы кодовой комбинации должны формироваться одновременно и могут быть переданы параллельно по разным проводам. Время передачи кодовой комбинации будет в этом случае равно длительности элементарного импульса, т.е. T_k = t₀.



Рис. 3.2

При последовательном методе с увеличением длины кодовой комбинации увеличивается время ее передачи, но это не влияет на техническую реализацию линии. Она всегда однопроводная, что выгодно при значительной ее длине. При параллельном методе время передачи кодовой комбинации всегда постоянно и мало по сравнению с предыдущим случаем, но количество проводов и конструкция приемно-передающих устройств зависят от длины комбинации.

В оконечных устройствах на этапах кодирования и декодирования применяют параллельную передачу, а в линии ведется последовательная работа. Для сопряжения параллельной и последовательной работы применяются специальные схемы преобразования.

3.2 Характеристики линий связи

3.2.1 Типы характеристик и способы их определения

К основным характеристикам линий связи относятся:

- амплитудно-частотная характеристика;

- полоса пропускания;

- затухание;

- помехоустойчивость;

- перекрестные наводки на ближнем конце линии;

- пропускная способность;

- достоверность передачи данных;

- удельная стоимость.

В первую очередь разработчика вычислительной сети интересуют пропускная способность и достоверность передачи данных, поскольку эти характеристики прямо влияют на производительность и надежность создаваемой сети. Если способ передачи (протокол) уже определен, то известны и эти характеристики. Например, пропускная способность цифровой линии всегда известна, так как на ней определен протокол физического уровня, который задает битовую скорость передачи данных - 64 Кбит/с, 2 Мбит/с и т. п.

Однако нельзя говорить о пропускной способности линии связи, до того как для нее определен протокол физического уровня.

Искажение импульсов в линии связи



Рис.3.3

Линия связи искажает передаваемые сигналы из-за того, что ее физические параметры отличаются от идеальных. Волоконно-оптический кабель также имеет отклонения, мешающие идеальному распространению света. Если линия связи включает промежуточную аппаратуру, то она также может вносить дополнительные искажения, так как невозможно создать устройства, которые бы одинаково хорошо передавали весь спектр сигнала.

Кроме искажений сигналов, вносимых внутренними физическими параметрами линии связи, существуют и внешние помехи, которые вносят свой вклад в искажение формы сигналов на выходе линии. Из-за помех сигналы на выходе линии связи обычно имеют сложную форму (рис. 3.3), по которой иногда трудно понять, какая дискретная информация была подана на вход линии.

3.2.2 Амплитудно-частотная характеристика, полоса пропускания и затухание

Степень искажения синусоидальных сигналов линиями связи оценивается с помощью таких характеристик, как амплитудно-частотная характеристика, полоса пропускания и затухание на определенной частоте.

Амплитудно-частотная характеристика (рис. 3.4) показывает, как затухает амплитуда синусоиды на выходе линии связи по сравнению с амплитудой на ее входе для всех возможных частот передаваемого сигнала. Вместо амплитуды в этой характеристике часто используют также такой параметр сигнала, как его мощность.

Амплитудно-частотная характеристика

Рис. 3.4

Знание амплитудно-частотной характеристики реальной линии позволяет определить форму выходного сигнала практически для любого входного сигнала.

Несмотря на полноту информации, предоставляемой амплитудно-частотной характеристикой о линии связи, ее использование осложняется тем обстоятельством, что получить ее весьма трудно. Поэтому на практике вместо амплитудно-частотной характеристики применяются другие, упрощенные характеристики - полоса пропускания и затухание.

Полоса пропускания (bandwidth) - это непрерывный диапазон частот, для которого отношение амплитуды выходного сигнала ко входному превышает некоторый заранее заданный предел, обычно 0,5. То есть полоса пропускания определяет диапазон частот синусоидального сигнала, при которых этот сигнал передается по линии связи без значительных искажений.

Затухание (attenuation) определяется как относительное уменьшение амплитуды или мощности сигнала при передаче по линии сигнала определенной частоты. Таким образом, затухание представляет собой одну точку из амплитудно-частотной характеристики линии. Часто при эксплуатации линии заранее известна основная частота передаваемого сигнала, то есть та частота, гармоника которой имеет наибольшую амплитуду и мощность. Поэтому достаточно знать затухание на этой частоте, чтобы приблизительно оценить искажения передаваемых по линии сигналов.

Затухание А обычно измеряется в децибелах (дБ, decibel - dB) и вычисляется по следующей формуле:

А = 10 lg Р_вых /Р_вх,

где Р_вых ~ мощность сигнала на выходе линии;

Р_вх - мощность сигнала на входе линии.

Так как мощность выходного сигнала кабеля без промежуточных усилителей всегда меньше, чем мощность входного сигнала, затухание кабеля всегда является отрицательной величиной.

Например, кабель на витой паре категории 5 характеризуется затуханием не ниже -23,6 дБ для частоты 100 МГц при длине кабеля 100 м. Частота 100 МГц выбрана потому, что кабель этой категории предназначен для высокоскоростной передачи данных, сигналы которых имеют значимые гармоники с частотой примерно 100 МГц. Кабель категории 3 предназначен для низкоскоростной передачи данных, поэтому для него определяется затухание на частоте 10 МГц (не ниже -11,5 дБ). Часто оперируют с абсолютными значениями затухания, без указания знака.

Абсолютный уровень мощности, например уровень мощности передатчика, также измеряется в децибелах. При этом в качестве базового значения мощности сигнала, относительно которого измеряется текущая мощность, принимается значение в 1 мВт. Таким образом, уровень мощности р вычисляется по следующей формуле:

р = 10 log₁₀ Р/1мВт [дБм],

где Р - мощность сигнала в милливаттах, а дБм (dBm) - это единица измерения уровня мощности (децибел на 1 мВт).

Таким образом, амплитудно-частотная характеристика, полоса пропускания и затухание являются универсальными характеристиками, и их знание позволяет сделать вывод о том, как через линию связи будут передаваться сигналы любой формы.

Полоса пропускания зависит от типа линии и ее протяженности. На рис. 3.5 показаны полосы пропускания линий связи различных типов, а также наиболее часто используемые в технике связи частотные диапазоны.

Полосы пропускания линий связи и популярные частотные диапазоны

Рис. 3.5

3.2.3 Пропускная способность линии

Пропускная способность (throughput) линии характеризует максимально возможную скорость передачи данных по линии связи. Пропускная способность измеряется в битах в секунду - бит/с, а также в производных единицах, таких как килобит в секунду (Кбит/с), мегабит в секунду (Мбит/с), гигабит в секунду (Гбит/с) и т. д.

ПРИМЕЧАНИЕ:

Пропускная способность линий связи и коммуникационного сетевого оборудования традиционно измеряется в битах в секунду, а не в байтах в секунду. Это связано с тем, что данные в сетях передаются последовательно, то есть побитно, а не параллельно, байтами, как это происходит между устройствами внутри компьютера. Такие единицы измерения, как килобит, мегабит или гигабит, в сетевых технологиях строго соответствуют степеням 10 (то есть килобит - это 1000 бит, а мегабит - это 1 000 000 бит), как это принято во всех отраслях науки и техники, а не близким к этим числам степеням 2, как это принято в программировании, где приставка «кило» равна 2¹⁰ =1024, а «мега» - 2²⁰ = 1 048576.

Пропускная способность линии связи зависит не только от ее характеристик, таких как амплитудно-частотная характеристика, но и от спектра передаваемых сигналов. Если значимые гармоники сигнала попадают в полосу пропускания линии, то такой сигнал будет хорошо передаваться данной линией связи и приемник сможет правильно распознать информацию, отправленную по линии передатчиком (рис. 3.6, а). Если же значимые гармоники выходят за границы полосы пропускания линии связи, то сигнал будет значительно искажаться, приемник будет ошибаться при распознавании информации, а значит, информация не сможет передаваться с заданной пропускной способностью (рис. 3.6, б).

Соответствие между полосой пропускания линии связи и спектром сигнала

Рис. 3.6

Выбор способа представления дискретной информации в виде сигналов, подаваемых на линию связи, называется физическим или линейным кодированием. От выбранного способа кодирования зависит спектр сигналов и, соответственно, пропускная способность линии. Таким образом, для одного способа кодирования линия может обладать одной пропускной способностью, а для другого - другой. Например, витая пара категории 3 может передавать данные с пропускной способностью 10 Мбит/с при способе кодирования стандарта физического уровня l0Base-T и 33 Мбит/с при способе кодирования стандарта 100Base-T4. В примере, приведенном на рис. 2.9, принят следующий способ кодирования - логическая 1 представлена на линии положительным потенциалом, а логический 0 - отрицательным.

Теория информации говорит, что любое различимое и непредсказуемое изменение принимаемого сигнала несет в себе информацию.

Большинство способов кодирования используют изменение какого-либо параметра периодического сигнала - частоты, амплитуды и фазы синусоиды или же знак потенциала последовательности импульсов. Периодический сигнал, параметры которого изменяются, называют несущим сигналом или несущей частотой, если в качестве такого сигнала используется синусоида.

Если сигнал изменяется так, что можно различить только два его состояния, то любое его изменение будет соответствовать наименьшей единице информации - биту. Если же сигнал может иметь более двух различимых состояний, то любое его изменение будет нести несколько бит информации.

Количество изменений информационного параметра несущего периодического сигнала в секунду измеряется в бодах (baud). Период времени между соседними изменениями информационного сигнала называется тактом работы передатчика.

Пропускная способность линии в битах в секунду в общем случае не совпадает с числом бод. Она может быть как выше, так и ниже числа бод, и это соотношение зависит от способа кодирования.

...