КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ Лекция 4 Технологии физического уровня. Линии связи. Кабели связи. Модуляция. Физическое кодирование. Санкт-Петербург, 2012 Александр Масальских

Т ЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ. Р ЯДЫ Ф УРЬЕ Любая периодическая функция g(t) с периодом T может быть разложена в ряд (возможно, бесконечный) вида: F=1/T (основная частота), a n b n – амплитуды синусов и косинусов n-й гармоники, c = const. Если известны период T и амплитуды гармоник, может быть восстановлена исходная функция.

С ИГНАЛЫ С ОГРАНИЧЕННЫМ СПЕКТРОМ Пусть требуется передать 8 битный сигнал

С ИГНАЛЫ С ОГРАНИЧЕННЫМ СПЕКТРОМ

Амплитуды передаются без изменений до частоты f c – частоты среза. Диапазон частот от 0 до частоты среза называют полосой пропускания. При скорости b бит/c время, требуемое для передачи 8 бит – 8/b секунд. Частота первой гармоники равно b/8 Гц. Речевой канал имеет частоту среза 3000 Гц. Номер самой высокой гармоники, которая может пройти через канал 3000/(b/8) или 24000/b.

С ИГНАЛЫ С ОГРАНИЧЕННЫМ СПЕКТРОМ

М АКСИМАЛЬНАЯ СКОРОСТЬ ПЕРЕДАЧИ ЧЕРЕЗ КАНАЛ В 1924 году Х. Найквист пришёл к выводу, что существует предельная скорость передачи даже для идеальных каналов. В 1948 году Шеннон (а в 1933 В.А. Котельников) доказали теорему для канала со случайным шумом. Если есть фильтр с полосой пропускания H, то отфильтрованный сигнал может быть восстановлен по дискретным значениям его, измеренным с частотой 2H в секунду. Speed = 2H log 2 V, где V – дискретные уровни. Бесшумный канал 3000Гц – 6000Кбит/c.

М АКСИМАЛЬНАЯ СКОРОСТЬ ПЕРЕДАЧИ ЧЕРЕЗ КАНАЛ.С ИГНАЛ / ШУМ Если мощность сигнала S, мощность шума N, соотношение сигнал шум S/N 10 lg S/N децибел. dB. дБ. Maxsped = H log 2 (1+ S/N) Если частота пропускания 3000 Гц и отношение сигнал шум 30дБ, максимальная скорость бит/c независимо от способа модуляции, частоты дискретизации и т.д.

У ПРАВЛЯЕМЫЕ НОСИТЕЛИ ИНФОРМАЦИИ Съёмные носители информации. Витая пара (cat3 16 МГц, cat5 100 МГц, cat5e 125 МГц, cat6 250 МГц, cat7 600 МГц, CAT7a 1200 МГц) Коаксиальный кабель (50 ом, 75 ом) Волоконная оптика

Э ЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ СПЕКТР

Б ЕСПРОВОДНАЯ СВЯЗЬ Микроволновая связь Инфракрасные и миллиметровые волны Связь в видимом диапазоне Спутники связи

М ОДУЛЯЦИЯ И КОДИРОВАНИЕ Для того чтобы приемник и передатчик могли обмениваться информацией, необходимо договориться о том, какие сигналы будут соответствовать двоичным 0 и 1 дискретной информации. Для представления дискретной информации в среде передачи данных применяются сигналы двух типов: прямоугольные импульсы и синусоидальные волны. В первом случае представление информации будет называться «кодированием», во втором «модуляцией».

М ОДУЛЯЦИЯ Модуляция изначально применялась для аналогового сигнала – передача низкочастотного аналогового сигнала через высокочастотный канал.

М ОДУЛЯЦИЯ При передаче дискретной информации иногда используют термин «манипуляция» (keying) Amplitude Shift Keying Frequency Shift Keying (Binary, four-level, multilevel) Phase Shift Keying (binary, quadrature)

М ОДУЛЯЦИЯ

К ОМБИНИРОВАННЫЕ МЕТОДЫ МОДУЛЯЦИИ Для увеличения скорости передачи данных прибегают к комбинированным методам модуляции. Наиболее распространена QAM (Quadrature Amplitude Modulation). 8 значений фазы, 4 значения амплитуды. Используется только 16 из возможных 32 комбинаций.

QAM С 16 СОСТОЯНИЯМИ

С ПЕКТРЫ СИГНАЛОВ ПРИ ПОТЕНЦИАЛЬНОМ КОДИРОВАНИИ И ASK

О ДИСКРЕТИЗАЦИИ АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ Дискретизация по времени Дискретизация по значениям АЦП и ЦАП Импульсно-кодовая модуляция (PCM) 7 или 8 бит для представления амплитуды (127 градаций или 256) 56 Кбит/c и 64 Кбит/c

К ОДИРОВАНИЕ При выборе кодирования стремятся достичь следующих целей: 1. Минимизировать ширину спектра сигнала 2. Обеспечить синхронизацию между приемником и передатчиком 3. Обеспечивать устойчивость к шумам 4. Обнаруживать и по возможности, исправлять ошибки 5. Минимизировать мощность передатчика

К ОДИРОВАНИЕ При выборе кодирования стремятся достичь следующих целей: 1. Минимизировать ширину спектра сигнала 2. Обеспечить синхронизацию между приемником и передатчиком 3. Обеспечивать устойчивость к шумам 4. Обнаруживать и по возможности, исправлять ошибки 5. Минимизировать мощность передатчика

С ИНХРОНИЗАЦИЯ ТАКТОВЫМИ ИМПУЛЬСАМИ

С АМОСИНХРОНИЗИРУЮЩИЕСЯ КОДЫ Резкий перепад сигнала – фронт. Фронт можно использовать указанием на необходимость синхронизации. Применение синусоид в качестве результирующего сигнала – может использоваться для самосинхронизации. Самосинхронизацию можно также получить, если использовать избыточное кодирование со служебными комбинациями. Манчестерский код самосинхронизирующийся по определению.

К ОДИРОВАНИЕ

К ОД NRZ Потенциальное кодирование без возвращения к нулю (Non Return to Zero). Достоинства: Простой Хорошая распознаваемость ошибок Основная гармоника низкой частоты N/2 (Узкий спектр) Недостатки Нет самосинхронизации Наличие низкочастотной составляющей при постоянном сигнале из 0 или 1

К ОД AMI Биполярное кодирование с альтернативной инверсией (AMI). Три уровня потенциала. 0 = 0 1 = + или – (потенциал каждой новой 1 противоположен предыдущему) Достоинства: Простой Спектр зачастую уже чем у NRZ (N/4 при ) Есть распознаваемость ошибок Решает проблему NRZ с последовательностью 1 Недостатки Последовательности 0 так же проблематичны 3 уровня потенциала – нужен мощнее передатчик

Б ИПОЛЯРНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ КОД Единица представлена импульсом одной полярности, ноль – другой. Достоинства: Простой Самосинхронизация Недостатки Широкий спектр (при постоянном 0 или 1 спектр равен N Гц) Есть постоянная составляющая 3 уровня

М АНЧЕСТЕРСКИЙ КОД Для кодирования 0 и 1 используется перепад потенциала (фронт импульса). Каждый такт делится на 2 части. Единица – перепад в середине такта от низкого уровня к высокому Ноль – перепад в середине такта от высокого к низкому К начале каждого такта может происходить служебный перепад

М АНЧЕСТЕРСКИЙ КОД Достоинства Самосинхронизация 2 уровня Нет постоянной составляющей Основная гармоника в худшем случае N Гц в лучшем N/2 Гц. В среднем, в полтора раза уже чем у биполярного импульсного Недостатки требует двойной пропускной способности линии по отношению к прямому двоичному кодированию, так как импульсы имеют половинную ширину. Например, для того чтобы отправлять данные со скоростью 10 Мбит/с, необходимо изменять сигнал 20 миллионов раз в секунду.

П ОТЕНЦИАЛЬНЫЙ КОД 2B1Q Каждый 2 бита кодируются за 1 такт сигналом, имеющим 4 состояния. Пары ( ) Достоинства При случайном чередовании битов спектр в 2 раза уже чем у NRZ Скорость в 2 раза выше чем у AMI и NRZI Недостатки Высокая мощность передатчика Требуется бороться с длинными постоянными последовательностями

И ЗБЫТОЧНЫЙ КОД 4B/5B Последовательность разбивается на символы, затем исходный символ заменяется новым с большим количеством битов. Результирующие символы могут иметь 32 комбинации, используется 16 (не содержащих большого количества 0). После 4B/5B можно применять кодирование, чувствительное к большому количеству нулей (например, NRZI)

И ЗБЫТОЧНЫЙ КОД 4B/5B

С КРЕМБЛИРОВАНИЕ Заключается в побитовом вычислении результирующего кода на основе битов исходного кода и полученных в предыдущих тактах битов результирующего кода. B8ZS (Bipolar with 8-Zeros Substitution) HDB3 (High-Density Bipolar 3-Zeros)

B8ZS И HDB3

С ПЕКТРЫ ПОТЕНЦИАЛЬНЫХ И ИМПУЛЬСНЫХ КОДОВ