Crosstalk all'estremità più vicina della linea: determina l'immunità ai disturbi del cavo verso le fonti di interferenza interne. Solitamente vengono valutati in relazione ad un cavo composto da più cavi doppino, quando i pickup reciproci di una coppia sull'altra possono raggiungere valori significativi e creare interferenze interne commisurate al segnale utile.
Affidabilità della trasmissione dei dati(o tasso di errore del bit) caratterizza la probabilità di distorsione per ogni bit di dati trasmesso. Le ragioni della distorsione dei segnali di informazione sono l'interferenza sulla linea, nonché la larghezza di banda limitata del suo passaggio. Pertanto, un aumento dell'affidabilità della trasmissione dei dati si ottiene aumentando il grado di immunità ai disturbi della linea, riducendo il livello di diafonia nel cavo e utilizzando più linee di comunicazione a banda larga.
Per linee di comunicazione via cavo convenzionali senza fondi aggiuntivi protezione dagli errori, l'affidabilità della trasmissione dei dati è, di regola, 10 -4 -10 -6 . Ciò significa che, in media, su 10 4 o 10 6 bit trasmessi, il valore di un bit sarà corrotto.
Apparecchiature per linee di comunicazione(apparecchiatura di trasmissione dati - ATD) è l'apparecchiatura perimetrale che collega direttamente i computer alla linea di comunicazione. Fa parte della linea di comunicazione e normalmente opera a livello fisico, fornendo la trasmissione e la ricezione di un segnale della forma e della potenza desiderate. Esempi di ADF sono modem, adattatori, convertitori da analogico a digitale e da digitale ad analogico.
Il DTE non include l'apparecchiatura terminale dati dell'utente (DTE), che genera dati per la trasmissione sulla linea di comunicazione ed è collegata direttamente al DTE. Un DTE include, ad esempio, un router LAN. Si noti che la divisione delle apparecchiature in classi APD e OOD è piuttosto condizionale.
Le apparecchiature intermedie vengono utilizzate sulle linee di comunicazione a lunga distanza, che risolvono due compiti principali: migliorare la qualità dei segnali informativi (la loro forma, potenza, durata) e creare un canale composito permanente (canale end-to-end) di comunicazione tra due reti iscritti. Nell'LCN, le apparecchiature intermedie non vengono utilizzate se la lunghezza del mezzo fisico (cavi, aria radio) non è elevata, in modo che i segnali da un adattatore di rete all'altro possano essere trasmessi senza ripristino intermedio dei loro parametri.
A reti globaliè garantita una trasmissione del segnale di alta qualità per centinaia e migliaia di chilometri. Pertanto, gli amplificatori sono installati a determinate distanze. Per creare una linea passante tra due abbonati, vengono utilizzati multiplexer, demultiplexer e switch.
L'attrezzatura intermedia del canale di comunicazione è trasparente per l'utente (non se ne accorge), sebbene in realtà si formi rete complessa chiamato rete primaria e fungere da base per la costruzione di computer, telefoni e altre reti.
Distinguere linee di comunicazione analogiche e digitali, che utilizzano vari tipi di apparecchiature intermedie. Nelle linee analogiche, le apparecchiature intermedie sono progettate per amplificare i segnali analogici che hanno un intervallo di valori continuo. Nei canali analogici ad alta velocità, la tecnica è implementata multiplexing di frequenza quando diversi canali di abbonati analogici a bassa velocità vengono multiplexati in un canale ad alta velocità. Nei canali di comunicazione digitale, dove i segnali di informazione rettangolari hanno un numero finito di stati, le apparecchiature intermedie migliorano la forma dei segnali e ne ripristinano il periodo di ripetizione. Fornisce la formazione di alta velocità canali digitali, lavorando sul principio del multiplexing temporale dei canali, quando a ciascun canale a bassa velocità viene assegnata una certa frazione del tempo di un canale ad alta velocità.
Quando si trasmettono dati di computer discreti linee digitali comunicazione, il protocollo di livello fisico è definito, poiché i parametri dei segnali informativi trasmessi dalla linea sono standardizzati e, quando trasmessi su linee analogiche, non è definito, poiché i segnali informativi hanno una forma arbitraria e non ci sono requisiti per la metodo di rappresentazione di uno e zero mediante apparecchiature di trasmissione dati.
I seguenti sono utilizzati nelle reti di comunicazione modalità di trasferimento delle informazioni:
simplex, quando trasmettitore e ricevitore sono collegati da un canale di comunicazione, attraverso il quale le informazioni vengono trasmesse in una sola direzione (questo è tipico delle reti di comunicazione televisiva);
half-duplex, quando due nodi di comunicazione sono collegati anche da un canale, attraverso il quale le informazioni vengono trasmesse alternativamente in una direzione, poi nella direzione opposta (questo è tipico per i sistemi di informazione-riferimento, richiesta-risposta);
duplex, quando due nodi di comunicazione sono collegati da due canali (canale di comunicazione in avanti e inverso), attraverso i quali le informazioni vengono trasmesse simultaneamente in direzioni opposte. I canali duplex vengono utilizzati nei sistemi con feedback sulle decisioni e sulle informazioni.
Canali di comunicazione commutati e dedicati. Nel TSS ci sono canali di comunicazione dedicati (non commutati) e quelli con commutazione per la durata della trasmissione di informazioni su questi canali.
Quando si utilizzano canali di comunicazione dedicati, le apparecchiature ricetrasmittenti dei nodi di comunicazione sono costantemente collegate tra loro. Ciò garantisce un elevato grado di preparazione del sistema per il trasferimento delle informazioni, di più alta qualità comunicazioni, supporto per una grande quantità di traffico. A causa dei costi relativamente elevati delle reti operative con canali di comunicazione dedicati, la loro redditività si ottiene solo se i canali sono completamente caricati.
I canali di comunicazione commutati, creati solo per il tempo di trasmissione di una quantità fissa di informazioni, sono caratterizzati da un'elevata flessibilità e da un costo relativamente basso (con una piccola quantità di traffico). Svantaggi di tali canali: perdita di tempo per la commutazione (per stabilire la comunicazione tra abbonati), possibilità di blocco a causa dell'occupazione delle singole sezioni della linea di comunicazione, altro di bassa qualità comunicazione, alto costo con una notevole quantità di traffico.
Le informazioni iniziali che devono essere trasmesse su una linea di comunicazione possono essere discrete (dati di output del computer) o analogiche (voce, immagine televisiva).
Trasmissione dati discreta si basa sull'uso di due tipi di codifica fisica:
un) modulazione analogica quando la codifica viene eseguita modificando i parametri del segnale portante sinusoidale;
b) codifica digitale modificando i livelli della sequenza di impulsi informativi rettangolari.
La modulazione analogica porta a uno spettro molto più piccolo del segnale risultante rispetto alla codifica digitale, alla stessa velocità di trasferimento delle informazioni, ma la sua implementazione richiede apparecchiature più complesse e costose.
Attualmente, i dati iniziali, che hanno una forma analogica, vengono sempre più trasmessi sui canali di comunicazione in una forma discreta (sotto forma di una sequenza di uno e zero), ad es. modulazione discreta segnali analogici.
Modulazione analogica. Viene utilizzato per trasmettere dati discreti su canali con una larghezza di banda ridotta, un tipico rappresentante dei quali è un canale di frequenza vocale fornito agli utenti di reti telefoniche. I segnali con una frequenza da 300 a 3400 Hz vengono trasmessi su questo canale, ovvero la sua larghezza di banda è di 3100 Hz. Tale banda è abbastanza sufficiente per la trasmissione del parlato con una qualità accettabile. La limitazione della larghezza di banda del canale del tono è associata all'uso di apparecchiature di multiplexing e commutazione di circuito nelle reti telefoniche.
Prima della trasmissione di dati discreti sul lato trasmittente utilizzando un modulatore-demodulatore (modem) viene eseguita la modulazione della sinusoide portante della sequenza originale di cifre binarie. La conversione inversa (demodulazione) viene eseguita dal modem ricevente.
Esistono tre modi per convertire i dati digitali in forma analogica o tre metodi di modulazione analogica:
Modulazione di ampiezza, quando cambia solo l'ampiezza della portante delle oscillazioni sinusoidali in base alla sequenza dei bit di informazione trasmessi: ad esempio, quando si trasmette uno, l'ampiezza dell'oscillazione è impostata su grande e quando si trasmette zero, è piccola o c'è nessun segnale portante;
modulazione di frequenza, quando sotto l'azione di segnali modulanti (bit di informazione trasmessi) cambia solo la frequenza della portante delle oscillazioni sinusoidali: ad esempio, quando viene trasmesso zero, è basso, e quando viene trasmesso uno, è alto;
modulazione di fase, quando, secondo la sequenza dei bit di informazione trasmessi, cambia solo la fase della portante delle oscillazioni sinusoidali: quando si passa dal segnale 1 al segnale 0 o viceversa, la fase cambia di 180°.
Nella sua forma pura, la modulazione di ampiezza è usata raramente nella pratica a causa della bassa immunità ai disturbi. Non è richiesta la modulazione di frequenza schemi complessi nei modem ed è generalmente utilizzato nei modem a bassa velocità che funzionano a 300 o 1200 bps. L'aumento della velocità dei dati è fornito dall'uso di metodi di modulazione combinati, più spesso modulazione di ampiezza in combinazione con la fase.
Il metodo analogico di trasmissione dati discreta fornisce la trasmissione a banda larga utilizzando segnali di diverse frequenze portanti in un canale. Ciò garantisce l'interazione di un gran numero di abbonati (ogni coppia di abbonati opera con la propria frequenza).
Codifica digitale. Quando si codificano digitalmente informazioni discrete, vengono utilizzati due tipi di codici:
a) codici di potenziale, quando si utilizza solo il valore del potenziale del segnale per rappresentare unità di informazione e zeri, e le sue cadute non sono prese in considerazione;
b) codici a impulsi, quando i dati binari sono rappresentati o da impulsi di una certa polarità o da potenziali cadute di una certa direzione.
I seguenti requisiti sono imposti ai metodi di codifica digitale di informazioni discrete quando si utilizzano impulsi rettangolari per rappresentare segnali binari:
garantire la sincronizzazione tra trasmettitore e ricevitore;
Garantire la più piccola larghezza dello spettro del segnale risultante alla stessa velocità in bit (poiché uno spettro di segnali più ristretto consente di ottenere una velocità dati più elevata su una linea con la stessa larghezza di banda);
la capacità di riconoscere gli errori nei dati trasmessi;
Costo di implementazione relativamente basso.
Tramite il livello fisico viene effettuato solo il riconoscimento dei dati corrotti (rilevamento degli errori), il che fa risparmiare tempo, in quanto il ricevitore, senza attendere che il frame ricevuto sia completamente riposto nel buffer, lo rifiuta immediatamente quando riconosce l'errore bit nella cornice. Un'operazione più complessa - la correzione dei dati corrotti - viene eseguita da protocolli di livello superiore: canale, rete, trasporto o applicazione.
La sincronizzazione del trasmettitore e del ricevitore è necessaria affinché il ricevitore sappia esattamente quando leggere i dati in entrata. I segnali di clock sintonizzano il ricevitore sul messaggio trasmesso e mantengono il ricevitore sincronizzato con i bit di dati in entrata. Il problema della sincronizzazione è facilmente risolvibile quando si trasmettono informazioni su brevi distanze (tra blocchi all'interno di un computer, tra un computer e una stampante) utilizzando una linea di comunicazione temporale separata: le informazioni vengono lette solo nel momento in cui arriva il successivo impulso di clock. Nelle reti di computer, l'uso degli impulsi di clock viene abbandonato per due motivi: per risparmiare conduttori in cavi costosi e per l'eterogeneità delle caratteristiche dei conduttori nei cavi (su lunghe distanze, la velocità irregolare di propagazione del segnale può portare a desincronizzazione degli impulsi di clock nella linea di clock e degli impulsi di informazione nella linea principale, per cui il bit di dati verrà saltato o riletto).
Attualmente, la sincronizzazione del trasmettitore e del ricevitore nelle reti si ottiene utilizzando codici auto-sincronizzanti(SK). La codificazione dei dati trasmessi mediante SC serve a garantire regolari e frequenti variazioni (transizioni) dei livelli del segnale informativo nel canale. Ogni transizione del livello del segnale da alto a basso o viceversa viene utilizzata per regolare il ricevitore. I migliori sono quegli SC che forniscono una transizione del livello del segnale almeno una volta durante l'intervallo di tempo necessario per ricevere un bit di informazione. Più frequenti sono le transizioni del livello del segnale, più affidabile è la sincronizzazione del ricevitore e più sicura è l'identificazione dei bit di dati ricevuti.
Questi requisiti per i metodi di codifica digitale di informazioni discrete sono in una certa misura contraddittori, pertanto ciascuno dei metodi di codifica considerati di seguito ha i suoi vantaggi e svantaggi rispetto ad altri.
Codici auto-sincronizzanti. I più comuni sono i seguenti SC:
codice potenziale senza ritorno a zero (NRZ - Non Return to Zero);
codice impulso bipolare (codice RZ);
Il codice di Manchester
· codice bipolare con inversione di livello alternata.
Sulla fig. 32 mostra gli schemi di codifica per il messaggio 0101100 che utilizza questi CK.
Riso. 32. Schemi di codifica dei messaggi che utilizzano codici di autosincronizzazione
7. STRATO FISICO
7.2. Metodi di trasmissione dati discreti
Quando si trasmettono dati discreti sui canali di comunicazione, vengono utilizzati due tipi principali di codifica fisica: basata su un segnale portante sinusoidale e basata su una sequenza di impulsi rettangolari. Viene spesso chiamato anche il primo metodo modulazione o modulazione analogica , sottolineando il fatto che la codifica avviene modificando i parametri del segnale analogico. Si chiama il secondo modo codifica digitale . Questi metodi differiscono per l'ampiezza dello spettro del segnale risultante e per la complessità delle apparecchiature richieste per la loro implementazione.
Quando si utilizzano impulsi rettangolari, lo spettro del segnale risultante è molto ampio. L'uso di una sinusoide si traduce in uno spettro più ristretto alla stessa velocità di informazione. Tuttavia, l'implementazione della modulazione richiede apparecchiature più complesse e costose rispetto all'implementazione di impulsi rettangolari.
Attualmente, sempre più spesso, i dati che inizialmente hanno una forma analogica - discorso, un'immagine televisiva - vengono trasmessi su canali di comunicazione in forma discreta, cioè sotto forma di una sequenza di uno e zero. Viene chiamato il processo di rappresentazione dell'informazione analogica in forma discreta modulazione discreta .
La modulazione analogica viene utilizzata per trasmettere dati discreti su canali con una banda di frequenza stretta - canale di frequenza vocale (reti telefoniche pubbliche). Questo canale trasmette frequenze nell'intervallo da 300 a 3400 Hz, quindi la sua larghezza di banda è di 3100 Hz.
Viene chiamato un dispositivo che svolge le funzioni di modulazione di una sinusoide portante sul lato trasmittente e di demodulazione sul lato ricevente modem (modulatore-demodulatore).
La modulazione analogica è un metodo di codifica fisica in cui le informazioni vengono codificate modificando l'ampiezza, la frequenza o la fase di un segnale di frequenza portante sinusoidale (Fig. 27).
In modulazione d'ampiezza (Fig. 27, b) per un'unità logica, viene selezionato un livello dell'ampiezza della sinusoide della frequenza portante e per uno zero logico, un altro. Questo metodo è usato raramente nella sua forma pura in pratica a causa della bassa immunità al rumore, ma è spesso usato in combinazione con un altro tipo di modulazione - modulazione di fase.
In modulazione di frequenza (Fig. 27, c) i valori 0 e 1 dei dati iniziali vengono trasmessi da sinusoidi con frequenze diverse - f 0 e f 1,. Questo metodo di modulazione non richiede circuiti complessi nei modem e viene solitamente utilizzato nei modem a bassa velocità che funzionano a 300 o 1200 bps.
In modulazione di fase (Fig. 27, d) i valori dei dati 0 e 1 corrispondono a segnali della stessa frequenza, ma con una fase diversa, ad esempio 0 e 180 gradi o 0, 90, 180 e 270 gradi.
Nei modem ad alta velocità, vengono spesso utilizzati metodi di modulazione combinati, di norma, l'ampiezza in combinazione con la fase.
Riso. 27. tipi diversi modulazione
Lo spettro del segnale modulato risultante dipende dal tipo e dalla velocità di modulazione.
Per la codifica potenziale, lo spettro è ottenuto direttamente dalle formule di Fourier per la funzione periodica. Se i dati discreti vengono trasmessi a un bit rate N bit/s, lo spettro è costituito da una componente costante di frequenza zero e da una serie infinita di armoniche con frequenze f 0 , 3f 0 , 5f 0 , 7f 0 , ... , dove f 0 = N/2. Le ampiezze di queste armoniche diminuiscono abbastanza lentamente - con coefficienti 1/3, 1/5, 1/7, ... dell'ampiezza armonica f 0 (Fig. 28, a). Di conseguenza, il potenziale spettro del codice richiede un'ampia larghezza di banda per una trasmissione di alta qualità. Inoltre, va tenuto conto del fatto che in realtà lo spettro del segnale è in continua evoluzione a seconda della natura dei dati. Pertanto, lo spettro del segnale di codice potenziale risultante durante la trasmissione di dati arbitrari occupa una banda da un valore vicino a 0 Hz a circa 7f 0 (le armoniche con frequenze superiori a 7f 0 possono essere trascurate a causa del loro piccolo contributo al segnale risultante) . Per un canale di frequenza vocale, il limite superiore per la potenziale codifica viene raggiunto a una velocità di trasmissione dati di 971 bps. Di conseguenza, i potenziali codici sui canali di frequenza vocale non vengono mai utilizzati.
Con la modulazione di ampiezza, lo spettro è costituito da una sinusoide della frequenza portante f c e due armoniche laterali: (f c + f m) e ( f c- f m), dove f m – frequenza del cambiamento parametro informativo sinusoide, che coincide con la velocità di trasferimento dei dati quando si utilizzano due livelli di ampiezza (Fig. 28, b). Frequenza f m determina la larghezza di banda della linea per un determinato metodo di codifica. A una bassa frequenza di modulazione, anche l'ampiezza dello spettro del segnale sarà piccola (pari a 2f m ), quindi i segnali non saranno distorti dalla linea se la sua larghezza di banda è maggiore o uguale a 2f m . Per un canale di frequenza vocale, questo metodo di modulazione è accettabile a una velocità dati non superiore a 3100/2=1550 bps. Se vengono utilizzati 4 livelli di ampiezza per rappresentare i dati, allora portata il canale viene aumentato a 3100 bps.
Riso. 28. Spettri di segnali durante la codifica potenziale
e modulazione di ampiezza
Con la modulazione di fase e di frequenza, lo spettro del segnale è più complesso rispetto alla modulazione di ampiezza, poiché qui si formano più di due armoniche laterali, ma sono anche posizionate simmetricamente rispetto alla frequenza portante principale e le loro ampiezze diminuiscono rapidamente. Pertanto, queste modulazioni sono adatte anche per la trasmissione di dati su un canale di frequenza vocale.
Quando si codificano digitalmente informazioni discrete, vengono utilizzati codici di potenziale e di impulso. Nei codici potenziali, viene utilizzato solo il valore del potenziale del segnale per rappresentare uno e zero logici e le sue cadute non vengono prese in considerazione. I codici a impulsi consentono di rappresentare i dati binari sia da impulsi di una certa polarità, sia da una parte dell'impulso, da una potenziale caduta di una certa direzione.
Quando si utilizzano impulsi rettangolari per trasmettere informazioni discrete, è necessario scegliere un metodo di codifica che raggiunga contemporaneamente diversi obiettivi:
· aveva allo stesso bit rate la più piccola larghezza dello spettro del segnale risultante;
· sincronizzazione fornita tra trasmettitore e ricevitore;
· aveva la capacità di riconoscere gli errori;
· aveva un basso costo di attuazione.
Uno spettro più ristretto di segnali consente di ottenere una maggiore velocità di trasferimento dati sulla stessa linea. Spesso lo spettro del segnale richiede l'assenza di una componente costante.
La sincronizzazione del trasmettitore e del ricevitore è necessaria affinché il ricevitore sappia esattamente in quale momento è necessario leggere nuove informazioni dalla linea di comunicazione. Questo problema è più difficile da risolvere nelle reti che nello scambio di dati tra dispositivi ravvicinati, ad esempio tra unità all'interno di un computer o tra un computer e una stampante. Pertanto, nelle reti vengono utilizzati i cosiddetti codici di autosincronizzazione, i cui segnali portano istruzioni per il trasmettitore su in quale momento è necessario riconoscere il bit successivo (o più bit). Qualsiasi spigolo vivo nel segnale - il cosiddetto front - può essere una buona indicazione per la sincronizzazione del ricevitore con il trasmettitore.
Quando si utilizzano sinusoidi come segnale portante, il codice risultante ha la proprietà di autosincronizzazione, poiché una variazione dell'ampiezza della frequenza portante consente al ricevitore di determinare il momento in cui appare il codice di ingresso.
I requisiti per i metodi di codifica sono reciprocamente contraddittori, quindi ciascuno dei popolari metodi di codifica digitale discussi di seguito ha i suoi vantaggi e svantaggi rispetto ad altri.
Sulla fig. 29a mostra un metodo di codifica potenziale, chiamato anche codifica nessun ritorno a zero (Non Ritorno a Zero, NRZ) . Il cognome riflette il fatto che quando viene trasmessa una sequenza di unità, il segnale non torna a zero durante il ciclo. Il metodo NRZ è facile da implementare, ha un buon riconoscimento degli errori (a causa di due potenziali nettamente diversi), ma non ha la proprietà di autosincronizzazione. Quando si trasmette una lunga sequenza di uno o zero, il segnale sulla linea non cambia, quindi il ricevitore non è in grado di determinare tramite segnale di input momenti in cui i dati devono essere letti. Anche con un generatore di clock molto preciso, il ricevitore può sbagliare il momento dell'acquisizione dei dati, poiché le frequenze dei due generatori non sono mai completamente identiche. Pertanto, a velocità di trasmissione dati elevate e lunghe sequenze di uno o zero, una piccola mancata corrispondenza delle frequenze di clock può portare a un errore in un intero ciclo e, di conseguenza, alla lettura di un valore di bit errato.
Un altro grave svantaggio del metodo NRZ è la presenza di una componente a bassa frequenza che si avvicina allo zero quando si trasmettono lunghe sequenze di uno o zero. Per questo motivo, molti canali di comunicazione che non forniscono un collegamento galvanico diretto tra il ricevitore e la sorgente non supportano questo tipo di codifica. Di conseguenza, nella sua forma pura, il codice NRZ non viene utilizzato nelle reti. Tuttavia, vengono utilizzate le sue varie modifiche, in cui vengono eliminate sia la scarsa autosincronizzazione del codice NRZ che la presenza di una componente costante. L'attrattiva del codice NRZ, per cui ha senso migliorarlo, risiede nella frequenza piuttosto bassa dell'armonica fondamentale f 0, che è pari a N/2 Hz. Altri metodi di codifica, come Manchester, hanno una frequenza fondamentale più alta.
Riso. 29. Modalità di codificazione dei dati discreti
Una delle modifiche del metodo NRZ è il metodo codifica bipolare con inversione alternativa (Bipolare Inversione del segno alternativo, AMI). Questo metodo (Fig. 29, b) utilizza tre livelli di potenziale: negativo, zero e positivo. Per codificare uno zero logico, viene utilizzato un potenziale zero e un'unità logica viene codificata da un potenziale positivo o negativo, mentre il potenziale di ogni nuova unità è opposto al potenziale della precedente.
Il codice AMI elimina parzialmente il controller di dominio e la mancanza di problemi di autoscatto inerenti al codice NRZ. Questo accade quando si inviano lunghe sequenze di quelli. In questi casi il segnale sulla linea è una sequenza di impulsi bipolari aventi lo stesso spettro del codice NRZ che trasmettono zeri e uno alternati, cioè privi di componente costante e con un'armonica fondamentale di N/2 Hz (dove N è la velocità in bit dei dati) . Anche lunghe sequenze di zeri sono pericolose per il codice AMI, così come per il codice NRZ: il segnale degenera in un potenziale costante di ampiezza zero. Pertanto, il codice AMI necessita di ulteriori miglioramenti.
In generale, per varie combinazioni di bit sulla linea, l'uso del codice AMI porta a uno spettro di segnali più ristretto rispetto al codice NRZ, e quindi a un throughput di linea più elevato. Ad esempio, quando si trasmettono uno e zero alternati, l'armonica fondamentale f 0 ha una frequenza di N/4 Hz. Il codice AMI fornisce anche alcune funzionalità per il riconoscimento di segnali errati. Pertanto, una violazione della rigida alternanza della polarità dei segnali indica un falso impulso o la scomparsa di un impulso corretto dalla linea. Un tale segnale è chiamato segnale proibito (segnale violazione).
Il codice AMI utilizza non due, ma tre livelli di segnale per linea. Lo strato aggiuntivo richiede un aumento della potenza del trasmettitore di circa 3 dB per fornire la stessa fedeltà di bit sulla linea, che è uno svantaggio generale dei codici con più stati di segnale rispetto ai codici che distinguono solo due stati.
Esiste un codice simile all'AMI, ma con solo due livelli di segnale. Quando viene trasmesso zero, trasmette il potenziale che era stato impostato nel ciclo precedente (cioè non lo cambia) e quando viene trasmesso uno, il potenziale viene invertito al contrario. Questo codice è chiamato codice potenziale con inversione all'unità (Non Restituzione a Zero insieme a quelli invertito , NRZI ) . Questo codice è utile nei casi in cui l'uso di un terzo livello di segnale è altamente indesiderabile, ad esempio nei cavi ottici, dove vengono riconosciuti in modo affidabile due stati del segnale: luce e ombra.
Oltre ai potenziali codici, le reti utilizzano anche codici a impulsi, quando i dati sono rappresentati da un impulso completo o da una sua parte, un fronte. Il caso più semplice di questo approccio è codice impulso bipolare , in cui l'unità è rappresentata da un impulso di una polarità e zero è l'altra (Fig. 29, c). Ogni impulso dura mezzo ciclo. Questo codice è eccellente autosincronizzante proprietà, ma può essere presente una componente costante, ad esempio, quando si trasmette una lunga sequenza di uno o zero. Inoltre, il suo spettro è più ampio di quello dei potenziali codici. Quindi, quando si trasmettono tutti zeri o uno, la frequenza dell'armonica fondamentale del codice sarà uguale a N Hz, che è due volte superiore all'armonica fondamentale del codice NRZ e quattro volte superiore all'armonica fondamentale del codice AMI quando si trasmettono uno e zero alternati. A causa dello spettro troppo ampio, il codice dell'impulso bipolare viene utilizzato raramente.
Nelle reti locali, fino a tempi recenti, il metodo di codifica più diffuso era il cosiddetto codice Manchester (Fig. 29, d). Viene utilizzato nelle tecnologie Ethernet e Token Ring.
Nel codice di Manchester, per codificare uno e zero viene utilizzata una potenziale caduta, ovvero il fronte dell'impulso. Nella codifica Manchester, ogni orologio è diviso in due parti. Le informazioni sono codificate da potenziali cadute che si verificano nel mezzo di ogni ciclo. Un'unità è codificata da un livello di segnale da basso ad alto e uno zero è codificato da un fronte inverso. All'inizio di ogni ciclo può verificarsi un fronte del segnale di servizio se è necessario rappresentare più uno o più zeri di seguito. Poiché il segnale cambia almeno una volta per ciclo di trasmissione di un bit di dati, il codice Manchester è buono autosincronizzante proprietà. La larghezza di banda del codice Manchester è più stretta di quella dell'impulso bipolare. Inoltre non ha una componente costante e l'armonica fondamentale nel peggiore dei casi (quando si trasmette una sequenza di uno o zero) ha una frequenza di N Hz, e nel migliore dei casi (quando si trasmette uno e zero alternati) è uguale a N / 2 Hz, come nei codici AMI o NRZ. In media, la larghezza di banda del codice Manchester è una volta e mezza più stretta di quella del codice a impulsi bipolari e l'armonica fondamentale oscilla intorno a 3N/4. Il codice Manchester ha un altro vantaggio rispetto al codice impulso bipolare. Quest'ultimo utilizza tre livelli di segnale per la trasmissione dei dati, mentre Manchester ne utilizza due.
Sulla fig. 29, e mostra un codice potenziale con quattro livelli di segnale per la codifica dei dati. Questo è un codice 2B1Q, il cui nome riflette la sua essenza: ogni due bit (2B) vengono trasmessi in un ciclo da un segnale che ha quattro stati (1Q). Il bit 00 è -2,5 V, il bit 01 è -0,833 V, il bit 11 è +0,833 V e il bit 10 è +2,5 V. sequenze di coppie identiche di bit, poiché in questo caso il segnale viene convertito in una componente costante. Con l'interleaving di bit casuale, lo spettro del segnale è due volte più stretto di quello del codice NRZ, poiché allo stesso bit rate la durata del clock è raddoppiata. Pertanto, utilizzando il codice 2B1Q, è possibile trasferire i dati sulla stessa linea due volte più velocemente rispetto all'utilizzo del codice AMI o NRZI. Tuttavia, per la sua implementazione, la potenza del trasmettitore deve essere maggiore in modo che i quattro livelli siano chiaramente distinti dal ricevitore sullo sfondo dell'interferenza.
Argomento 2. Livello fisico
Piano
Fondamenti teorici della trasmissione dei dati
Le informazioni possono essere trasmesse su fili modificando alcune quantità fisiche, come la tensione o la corrente. Rappresentando il valore della tensione o della corrente come una funzione a valore unico del tempo, è possibile modellare il comportamento del segnale e sottoporlo ad analisi matematica.serie di Fourier
All'inizio del XIX secolo, il matematico francese Jean-Baptiste Fourier dimostrò che qualsiasi funzione periodica con periodo T può essere espansa in una serie (possibilmente infinita) costituita da somme di seni e coseni:(2.1)
dove è la frequenza fondamentale (armonica), e sono le ampiezze dei seni e coseni dell'n-esima armonica, e c è una costante. Tale espansione è chiamata serie di Fourier. La funzione espansa nella serie di Fourier può essere ripristinata dagli elementi di questa serie, cioè se si conoscono il periodo T e le ampiezze delle armoniche, allora la funzione originaria può essere ripristinata utilizzando la somma delle serie (2.1).
Un segnale di informazione che ha una durata finita (tutti i segnali di informazione hanno una durata finita) può essere espanso in una serie di Fourier se immaginiamo che l'intero segnale si ripeta all'infinito più e più volte (cioè, l'intervallo da T a 2T ripete completamente il intervallo da 0 a T, ecc.).
Le ampiezze possono essere calcolate per una data funzione. Per fare ciò, è necessario moltiplicare i lati sinistro e destro dell'equazione (2.1) per e quindi integrare da 0 a T. Poiché:
(2.2)
rimane un solo membro della serie. La linea scompare completamente. Allo stesso modo, moltiplicando l'equazione (2.1) per e integrando nel tempo da 0 a T, si possono calcolare i valori. Se integriamo entrambe le parti dell'equazione senza cambiarla, possiamo ottenere il valore della costante Insieme a. I risultati di queste azioni saranno i seguenti:
(2.3.)
Supporti di archiviazione gestiti
Lo scopo del livello fisico di una rete è trasferire il flusso di bit grezzo da una macchina all'altra. Per la trasmissione possono essere utilizzati vari mezzi fisici, chiamati anche mezzi di propagazione del segnale. Ognuno di essi ha un insieme caratteristico di larghezze di banda, ritardi, prezzi e facilità di installazione e utilizzo. I supporti possono essere suddivisi in due gruppi: supporti orientabili come fili di rame e cavi in fibra ottica e supporti non orientabili come trasmissioni radio e laser senza cavo.Supporti magnetici
Una delle più modi semplici trasferire i dati da un computer a un altro: scriverli su un nastro magnetico o un altro supporto rimovibile (ad esempio un DVD riscrivibile), trasferire fisicamente questi nastri e dischi nella destinazione e leggerli lì.Alta produttività. Una cartuccia a nastro Ultrium standard contiene 200 GB. Circa 1000 di queste cassette sono collocate in una scatola 60x60x60, che fornisce una capacità totale di 1600 Tbit (1,6 Pbit). Una scatola di cassette può essere spedita negli Stati Uniti entro 24 ore da Federal Express o da un'altra società. La larghezza di banda effettiva per questa trasmissione è 1600 Tbps/86400 s o 19 Gbps. Se la destinazione è a solo un'ora di distanza, il throughput sarà superiore a 400 Gbps. Non una singola rete di computer è ancora in grado di avvicinarsi a tali indicatori.
Redditività. Il prezzo all'ingrosso della cassetta è di circa $ 40. Una scatola di nastri costerà $ 4.000 e lo stesso nastro può essere utilizzato dozzine di volte. Aggiungiamo $ 1000 per la spedizione (in realtà, molto meno) e riceviamo circa $ 5000 per il trasferimento di 200 TB, o 3 centesimi per gigabyte.
Screpolatura. Sebbene la velocità di trasferimento dei dati mediante nastri magnetici sia eccellente, tuttavia, la quantità di ritardo in tale trasferimento è molto grande. Il tempo di trasferimento viene misurato in minuti o ore, non in millisecondi. Molte applicazioni richiedono una risposta immediata dal sistema remoto (in modalità connessa).
doppino
Un doppino intrecciato è costituito da due fili di rame isolati con un diametro tipico di 1 mm. I fili si attorcigliano uno intorno all'altro a forma di spirale. Ciò consente di ridurre l'interazione elettromagnetica di diversi doppini adiacenti.Applicazione - linea telefonica, rete informatica. Può trasmettere un segnale senza attenuazione di potenza su una distanza di diversi chilometri. I ripetitori sono necessari per distanze maggiori. Sono combinati in un cavo, con un rivestimento protettivo. Una coppia di fili è attorcigliata nel cavo per evitare la sovrapposizione del segnale. Possono essere utilizzati per trasmettere dati sia analogici che digitali. La larghezza di banda dipende dal diametro e dalla lunghezza del filo, ma nella maggior parte dei casi è possibile raggiungere diversi megabit al secondo su distanze di diversi chilometri. A causa della larghezza di banda piuttosto elevata e del basso costo, i cavi a doppino intrecciato sono ampiamente utilizzati e molto probabilmente continueranno ad essere popolari in futuro.
I cavi a doppino intrecciato sono disponibili in diverse forme, due delle quali sono particolarmente importanti nel campo della reti di computer. Il doppino intrecciato di categoria 3 (CAT 3) è costituito da due fili isolati intrecciati insieme. Quattro di queste coppie sono solitamente poste insieme in un guscio di plastica.
Il doppino intrecciato di categoria 5 (CAT 5) è simile al doppino intrecciato di categoria 3, ma ha più giri per centimetro di lunghezza del filo. Ciò consente di ridurre ulteriormente le interferenze tra i diversi canali e di fornire una migliore qualità di trasmissione del segnale su lunghe distanze (Fig. 1).
Riso. 1. UTP categoria 3 (a), UTP categoria 5 (b).
Tutti questi tipi di connessioni sono spesso indicati come UTP (doppino intrecciato non schermato - doppino intrecciato non schermato)
I cavi a doppino intrecciato schermati di IBM non sono diventati popolari al di fuori di IBM.
Cavo coassiale
Un altro mezzo comune di trasmissione dei dati è il cavo coassiale. È meglio schermato del doppino intrecciato, quindi può trasportare dati su lunghe distanze a velocità più elevate. Due tipi di cavi sono ampiamente utilizzati. Uno di questi, 50 ohm, viene solitamente utilizzato per la trasmissione di dati esclusivamente digitali. Un altro tipo di cavo, 75 ohm, viene spesso utilizzato per trasmettere informazioni analogiche, oltre che nella televisione via cavo.La vista in sezione del cavo è mostrata in Figura 2.
Riso. 2. Cavo coassiale.
Il design e il tipo speciale di schermatura del cavo coassiale garantiscono un'elevata larghezza di banda e un'eccellente immunità ai disturbi. Il throughput massimo dipende dalla qualità, dalla lunghezza e dal rapporto segnale/rumore della linea. I cavi moderni hanno una larghezza di banda di circa 1 GHz.
Applicazione - sistemi telefonici (rete), televisione via cavo, reti regionali.
fibra ottica
L'attuale tecnologia in fibra ottica può raggiungere velocità di trasmissione dati fino a 50.000 Gb/s (50 Tb/s) e molte persone sono alla ricerca di materiali migliori. Il limite pratico odierno di 10 Gbps è dovuto all'impossibilità di convertire segnali elettrici in segnali ottici e viceversa più velocemente, sebbene in condizioni di laboratorio siano già stati raggiunti 100 Gbps su una singola fibra.Un sistema di trasmissione dati in fibra ottica è costituito da tre componenti principali: una sorgente luminosa, un vettore attraverso il quale si propaga il segnale luminoso e un ricevitore di segnale, o rivelatore. Un impulso luminoso viene preso come uno e l'assenza di un impulso come zero. La luce si propaga in una fibra di vetro ultrasottile. Quando la luce lo colpisce, il rilevatore genera un impulso elettrico. Collegando una sorgente luminosa a un'estremità di una fibra ottica e un rivelatore all'altra, si ottiene un sistema di trasmissione dati unidirezionale.
Quando si trasmette un segnale luminoso, viene utilizzata la proprietà di riflessione e rifrazione della luce durante la transizione da 2 mezzi. Pertanto, quando la luce viene fornita ad una certa angolazione rispetto al limite del mezzo, il raggio di luce viene completamente riflesso e bloccato nella fibra (Fig. 3).
Riso. 3. Proprietà della rifrazione della luce.
Esistono 2 tipi di cavo in fibra ottica: multimodale - trasmette un raggio di luce, monomodale - sottile al limite di diverse lunghezze d'onda, agisce quasi come una guida d'onda, la luce si muove in linea retta senza riflessione. I collegamenti in fibra monomodali di oggi possono funzionare a 50 Gbps su distanze fino a 100 km.
Nei sistemi di comunicazione vengono utilizzate tre gamme di lunghezze d'onda: 0,85, 1,30 e 1,55 µm, rispettivamente.
La struttura del cavo in fibra ottica è simile a quella del cavo coassiale. L'unica differenza è che il primo non ha una griglia di schermatura.
Al centro del nucleo in fibra ottica c'è un nucleo di vetro attraverso il quale si propaga la luce. La fibra multimodale ha un diametro del nucleo di 50 µm, che è circa lo spessore di un capello umano. Il nucleo in una fibra monomodale ha un diametro da 8 a 10 µm. L'anima è ricoperta da uno strato di vetro con un indice di rifrazione inferiore a quello dell'anima. È progettato per impedire in modo più affidabile alla luce di fuoriuscire dal nucleo. Lo strato esterno è un guscio di plastica che protegge la vetrata. I nuclei in fibra ottica sono generalmente raggruppati in fasci protetti da una guaina esterna. La figura 4 mostra un cavo a tre fili.
Riso. 4. Cavo in fibra ottica a tre fili.
In caso di interruzione, il collegamento dei segmenti di cavo può essere effettuato in tre modi:
- Un connettore speciale può essere fissato all'estremità del cavo, con il quale il cavo viene inserito in una presa ottica. La perdita è del 10-20% dell'intensità della luce, ma consente di modificare facilmente la configurazione del sistema.
Giunzione: due estremità del cavo ben tagliate vengono posate l'una accanto all'altra e fissate con un manicotto speciale. Una migliore trasmissione della luce si ottiene allineando le estremità del cavo. Perdita - 10% della potenza luminosa.
Fusione. Non c'è praticamente nessuna perdita.
Tabella 1.
Tabella di confronto dell'utilizzo di LED e laser a semiconduttore
L'estremità ricevente di un cavo ottico è un fotodiodo che genera un impulso elettrico quando la luce cade su di esso.
Caratteristiche comparative del cavo in fibra ottica e del filo di rame.
La fibra ottica presenta diversi vantaggi:- Alta velocità.
Meno attenuazione del segnale, meno ripetitori in uscita (uno ogni 50 km, non 5)
Da inerte a esterno radiazioni elettromagnetiche, chimicamente neutro.
Più leggero. 1000 doppini in rame lunghi 1 km pesano circa 8000 kg. Una coppia di cavi in fibra ottica pesa solo 100 kg con più larghezza di banda
Bassi costi di posa
- Difficoltà e competenza nell'installazione.
fragilità
Altro che rame.
trasmissione in modalità simplex, è necessario un minimo di 2 fili tra le reti.
Connessione senza fili
spettro elettromagnetico
Il movimento degli elettroni genera onde elettromagnetiche che possono propagarsi nello spazio (anche nel vuoto). Il numero di oscillazioni delle oscillazioni elettromagnetiche al secondo è chiamato frequenza e viene misurato in hertz. La distanza tra due massimi (o minimi) successivi è chiamata lunghezza d'onda. Questo valore è tradizionalmente indicato dalla lettera greca (lambda).Se dentro circuito elettrico accendere un'antenna di dimensioni adeguate, quindi le onde elettromagnetiche possono essere ricevute con successo dal ricevitore a una certa distanza. Tutti i sistemi di comunicazione wireless si basano su questo principio.
Nel vuoto, tutte le onde elettromagnetiche viaggiano alla stessa velocità, indipendentemente dalla loro frequenza. Questa velocità è chiamata velocità della luce, - 3*108 m/s. Nel rame o nel vetro, la velocità della luce è circa 2/3 di questo valore e dipende anche leggermente dalla frequenza.
Relazione di quantità e:
Se la frequenza () è misurata in MHz e la lunghezza d'onda () in metri, allora.
La totalità di tutti onde elettromagnetiche forma il cosiddetto spettro continuo della radiazione elettromagnetica (Fig. 5). Radio, microonde, infrarossi e luce visibile possono essere utilizzati per trasmettere informazioni utilizzando l'ampiezza, la frequenza o la modulazione di fase delle onde. Le radiazioni ultraviolette, raggi X e gamma sarebbero ancora migliori per via delle loro alte frequenze, ma sono difficili da generare e modulare, non attraversano bene gli edifici e, inoltre, sono pericolose per tutti gli esseri viventi. Il nome ufficiale degli intervalli è riportato nella tabella 6.
Riso. 5. Spettro elettromagnetico e sua applicazione nelle comunicazioni.
Tavolo 2.
Nomi ufficiali delle band ITU
La quantità di informazioni che un'onda elettromagnetica può trasportare è correlata alla gamma di frequenza del canale. Le moderne tecnologie consentono di codificare diversi bit per hertz per basse frequenze. In determinate condizioni, questo numero può aumentare di otto volte alte frequenze.
Conoscendo l'ampiezza della gamma di lunghezze d'onda, è possibile calcolare la corrispondente gamma di frequenza e data rate.
Esempio: per una gamma di cavi in fibra ottica da 1,3 micron, quindi. Quindi a 8 bps risulta che puoi ottenere una velocità di trasferimento di 240 Tbps.
Comunicazione radiofonica
Le onde radio sono facili da generare, percorrono lunghe distanze, attraversano muri, girano intorno agli edifici, si propagano in tutte le direzioni. Le proprietà delle onde radio dipendono dalla frequenza (Fig. 6). Quando si opera a basse frequenze, le onde radio attraversano bene gli ostacoli, ma la potenza del segnale nell'aria diminuisce drasticamente quando ci si allontana dal trasmettitore. Il rapporto tra potenza e distanza dalla sorgente è espresso approssimativamente come segue: 1/r2. Alle alte frequenze, le onde radio generalmente tendono a viaggiare solo in linea retta e rimbalzano sugli ostacoli. Inoltre, vengono assorbiti, ad esempio, dalla pioggia. I segnali radio di qualsiasi frequenza sono soggetti alle interferenze dei motori a spazzole e di altre apparecchiature elettriche.Riso. 6. Le onde delle bande VLF, LF, MF percorrono la rugosità della superficie terrestre (a), le onde delle bande HF e VHF vengono riflesse dalla ionosfera e assorbite dalla terra (b).
Comunicazione nel campo delle microonde
A frequenze superiori a 100 MHz, le onde radio si propagano quasi in linea retta, quindi possono essere focalizzate in fasci stretti. La concentrazione di energia sotto forma di fascio stretto che utilizza un'antenna parabolica (come la famosa parabola satellitare) porta ad un miglioramento del rapporto segnale/rumore, ma per tale connessione le antenne trasmittente e ricevente devono essere abbastanza accuratamente puntati l'uno verso l'altro.A differenza delle onde radio con frequenze più basse, le microonde non passano bene attraverso gli edifici. La radio a microonde è diventata così ampiamente utilizzata nella telefonia a lunga distanza, nei telefoni cellulari, nelle trasmissioni televisive e in altre aree che c'era una grave carenza di spettro.
Questa connessione presenta una serie di vantaggi rispetto alla fibra ottica. Il principale è che non è necessario posare un cavo e, di conseguenza, non è necessario pagare l'affitto di un terreno lungo il percorso del segnale. È sufficiente acquistare piccoli appezzamenti di terreno ogni 50 km e installare su di essi torri di collegamento.
Onde infrarosse e millimetriche
La radiazione infrarossa e millimetrica senza l'uso di un cavo è ampiamente utilizzata per la comunicazione brevi distanze(esempio telecomandi). Sono relativamente direzionali, economici e facili da installare, ma non passano attraverso oggetti solidi.La comunicazione nella gamma degli infrarossi viene utilizzata nei sistemi di elaborazione desktop (ad esempio, per collegare laptop con stampanti), ma non svolge ancora un ruolo significativo nelle telecomunicazioni.
Satelliti per comunicazioni
Vengono utilizzati satelliti di tipo E: geostazionario (GEO), media altitudine (MEO) e orbita bassa (LEO) (Fig. 7).Riso. 7. Satelliti per comunicazioni e loro proprietà: altezza dell'orbita, ritardo, numero di satelliti necessari per coprire l'intera superficie del globo.
Rete telefonica pubblica commutata
Struttura dell'impianto telefonico
La struttura di un tipico percorso di comunicazione telefonica su medie distanze è mostrata nella Figura 8.Riso. 8. Tipico percorso di comunicazione con una distanza media tra gli abbonati.
Linee urbane: modem, ADSL, wireless
Poiché il computer funziona con un segnale digitale e la linea telefonica locale è la trasmissione di un segnale analogico, viene utilizzato un dispositivo modem per convertire il digitale in analogico e viceversa e il processo stesso è chiamato modulazione / demodulazione (Fig. 9) .Riso. 9. Utilizzo di una linea telefonica durante la trasmissione di un segnale digitale.
Esistono 3 metodi di modulazione (Fig. 10):
- modulazione di ampiezza - vengono utilizzate 2 diverse ampiezze del segnale (per 0 e 1),
frequenza - vengono utilizzate diverse frequenze di segnale (per 0 e 1),
fase - gli sfasamenti vengono utilizzati durante la transizione tra le unità logiche (0 e 1). Angoli di taglio - 45, 135, 225, 180.
Riso. 10. Segnale binario (a); modulazione di ampiezza (b); modulazione di frequenza (c); modulazione di fase.
Tutti i moderni modem consentono di trasferire dati in entrambe le direzioni, questa modalità di funzionamento è chiamata duplex. Una connessione con capacità di trasmissione seriale è chiamata half-duplex. Una connessione in cui la trasmissione avviene in una sola direzione è chiamata simplex.
La velocità massima del modem che può essere raggiunta al momento è di 56 Kb/s. Norma V.90.
Linee abbonati digitali. tecnologia xDSL.
Dopo che la velocità attraverso i modem ha raggiunto il suo limite, le compagnie telefoniche hanno iniziato a cercare una via d'uscita da questa situazione. Pertanto, molte proposte sono apparse sotto il nome generale xDSL. xDSL (Digital Subscribe Line) - linea per abbonati digitali, dove invece di X potrebbero esserci altre lettere. La tecnologia più nota di queste proposte è l'ADSL (Asymmetric DSL).Il motivo del limite di velocità dei modem era che utilizzavano il raggio di trasmissione del parlato umano per la trasmissione dei dati - da 300 Hz a 3400 Hz. Insieme alle frequenze limite, la larghezza di banda non era di 3100 Hz, ma di 4000 Hz.
Sebbene lo spettro della linea telefonica locale sia di 1,1 Hz.
La prima proposta di tecnologia ADSL utilizzava l'intero spettro della linea telefonica locale, che si articola in 3 bande:
- POTS - la portata della rete telefonica convenzionale;
gamma in uscita;
intervallo di ingresso.
Un metodo alternativo chiamato modulazione multitono discreta, DMT (Discrete MultiTone) consiste nel dividere l'intero spettro di una linea locale larga 1,1 MHz in 256 canali indipendenti di 4312,5 Hz ciascuno. Il canale 0 è POTS. I canali da 1 a 5 non vengono utilizzati in modo che il segnale vocale non possa interferire con il segnale informativo. Dei restanti 250 canali, uno è occupato dal controllo della trasmissione verso il provider, uno - verso l'utente e tutti gli altri sono disponibili per la trasmissione dei dati dell'utente (Fig. 11).
Riso. 11. Funzionamento ADSL con modulazione multitono discreta.
Lo standard ADSL consente di ricevere fino a 8 Mb/s e di inviare fino a 1 Mb/s. ADSL2+ - in uscita fino a 24 Mb/s, in entrata fino a 1,4 Mb/s.
Una tipica configurazione dell'apparecchiatura ADSL contiene:
- DSLAM - Multiplexer di accesso DSL;
NID è un dispositivo di interfaccia di rete che separa la proprietà della compagnia telefonica e dell'abbonato.
Uno splitter (splitter) è uno splitter di frequenza che separa la banda POTS e i dati ADSL.
Linee e sigilli
Il risparmio di risorse gioca un ruolo importante nel sistema telefonico. Il costo per la posa e il mantenimento di una dorsale ad alta capacità e di una linea di bassa qualità è quasi lo stesso (ovvero, la parte del leone di questo costo viene spesa per lo scavo di trincee e non per il cavo in rame o in fibra ottica stesso).Per questo motivo, le compagnie telefoniche hanno collaborato allo sviluppo di diversi schemi per il trasporto di conversazioni multiple su un unico cavo fisico. Gli schemi di multiplexing (compressione) possono essere suddivisi in due categorie principali FDM (Frequency Division Multiplexing - frequency division multiplexing) e TDM (Time Division Multiplexing - time division multiplexing) (Fig. 13).
Con il multiplexing di frequenza, lo spettro di frequenza è suddiviso tra canali logici e ogni utente riceve la proprietà esclusiva della sua sottobanda. Nel multiplexing a divisione di tempo, gli utenti si alternano (ciclicamente) utilizzando lo stesso canale e a ciascuno viene data la piena capacità del canale per un breve periodo di tempo.
I canali in fibra ottica utilizzano una variante speciale del multiplexing di frequenza. Si chiama multiplexing a divisione spettrale (WDM, Wavelength-Division Multiplexing).
Riso. 13. Un esempio di multiplexing di frequenza: spettri originali di 1 segnali (a), spettri con spostamento di frequenza (b), canale multiplexato (c).
Cambio
Dal punto di vista del tecnico telefonico medio, sistema telefonicoè costituito da due parti: apparecchiature esterne (linee telefoniche locali e linee esterne, esterne agli interruttori) e apparecchiature interne (interruttori) situate presso la centrale telefonica.Qualsiasi rete di comunicazione supporta una modalità di commutazione (comunicazione) dei propri abbonati tra di loro. È praticamente impossibile fornire a ciascuna coppia di abbonati interagenti una propria linea di comunicazione fisica non commutata, che potrebbero monopolizzare "proprie" per molto tempo. Pertanto, in qualsiasi rete, viene sempre utilizzato un metodo di commutazione dell'abbonato, che garantisce la disponibilità dei canali fisici disponibili contemporaneamente per diverse sessioni di comunicazione tra gli abbonati della rete.
Nei sistemi telefonici vengono utilizzate due diverse tecniche: commutazione di circuito e commutazione di pacchetto.
Commutazione di circuito
La commutazione di circuito implica la formazione di un canale fisico composito continuo da singole sezioni di canale collegate in serie per la trasmissione diretta dei dati tra i nodi. In una rete a commutazione di circuito, prima della trasmissione dei dati, è sempre necessario eseguire una procedura di instaurazione della connessione, durante la quale viene creato un canale composito (Fig. 14).Commutazione di pacchetto
Nella commutazione di pacchetto, tutti i messaggi trasmessi dall'utente della rete vengono suddivisi nel nodo sorgente in parti relativamente piccole, chiamate pacchetti. Ciascun pacchetto è dotato di un'intestazione che specifica le informazioni sull'indirizzo necessarie per consegnare il pacchetto all'host di destinazione, nonché il numero di pacchetto che verrà utilizzato dall'host di destinazione per assemblare il messaggio. I pacchetti vengono trasportati sulla rete come blocchi di informazioni indipendenti. Gli switch di rete ricevono i pacchetti dai nodi finali e, in base alle informazioni sull'indirizzo, li trasmettono l'un l'altro e, infine, al nodo di destinazione (Fig. 14).eccetera.................
Per la trasmissione di dati discreti su linee di comunicazione con banda di frequenza stretta, modulazione analogica. Un tipico rappresentante di tali linee è una linea di comunicazione a frequenza vocale messa a disposizione degli utenti delle reti telefoniche pubbliche. Questa linea di comunicazione trasmette segnali analogici nella gamma di frequenza da 300 a 3400 Hz (quindi la larghezza di banda della linea è 3100 Hz). La rigorosa limitazione della larghezza di banda delle linee di comunicazione in questo caso è associata all'uso di apparecchiature di multiplexing e commutazione di circuito nelle reti telefoniche.
Viene chiamato un dispositivo che svolge le funzioni di modulazione di una sinusoide portante sul lato trasmittente e di demodulazione sul lato ricevente modem (modulatore-demodulatore).
La modulazione analogica è un metodo di codifica fisica in cui le informazioni vengono codificate cambiando ampiezze, frequenze o fasi un segnale sinusoidale della frequenza portante. In modulazione d'ampiezza per uno logico viene selezionato un livello dell'ampiezza della sinusoide di frequenza portante e per uno zero logico un altro. Questo metodo è usato raramente nella pratica nella sua forma pura a causa della bassa immunità ai disturbi, ma è spesso utilizzato in combinazione con altri tipi di modulazione. In modulazione di frequenza i valori 0 e 1 dei dati originali vengono trasmessi da sinusoidi con frequenze diverse . Questo metodo di modulazione non richiede complicati circuiti elettronici nei modem ed è generalmente utilizzato nei modem a bassa velocità che funzionano a 300 o 1200 bps. In modulazione di fase i valori dei dati 0 e 1 corrispondono a segnali della stessa frequenza ma di fase diversa, come 0 e 180 gradi o 0, 90, 180 e 270 gradi. Nei modem ad alta velocità, vengono spesso utilizzati metodi di modulazione combinati, di norma, l'ampiezza in combinazione con la fase. I metodi di modulazione combinati vengono utilizzati per aumentare la velocità dei dati. I metodi più comuni sono Modulazione di ampiezza in quadratura-QAM). Questi metodi si basano su una combinazione di modulazione di fase con 8 valori di sfasamento e modulazione di ampiezza con 4 livelli di ampiezza. Tuttavia, non vengono utilizzate tutte le 32 possibili combinazioni di segnali. Tale ridondanza di codifica è necessaria affinché il modem riconosca segnali errati, che sono il risultato di distorsioni dovute a disturbi, che sui canali telefonici (soprattutto commutati) sono molto significativi in ampiezza e lunghi nel tempo.
In codifica digitale vengono utilizzate informazioni discrete potenziale e impulso codici. A potenziale Nei codici, solo il valore del potenziale del segnale viene utilizzato per rappresentare uno e zero logici e le sue cadute, che formano impulsi completi, non vengono prese in considerazione. Polso i codici consentono di rappresentare i dati binari da impulsi di una certa polarità o da una parte dell'impulso, una potenziale caduta di una certa direzione.
Quando si utilizzano impulsi rettangolari per trasmettere informazioni discrete, è necessario scegliere un metodo di codifica che raggiunga contemporaneamente diversi obiettivi: allo stesso bit rate, avere la più piccola larghezza dello spettro del segnale risultante; sincronizzazione fornita tra trasmettitore e ricevitore; aveva la capacità di riconoscere gli errori; aveva un basso costo di attuazione.
Uno spettro del segnale più ristretto consente di ottenere una velocità di trasferimento dati più elevata sulla stessa linea (con la stessa larghezza di banda). La sincronizzazione del trasmettitore e del ricevitore è necessaria affinché il ricevitore sappia esattamente in quale momento è necessario leggere nuove informazioni dalla linea di comunicazione. Questo problema è più difficile da risolvere nelle reti rispetto alla comunicazione tra dispositivi nelle immediate vicinanze, ad esempio tra dispositivi all'interno di un computer o tra un computer e una stampante. A brevi distanze, uno schema basato su una linea di comunicazione di clock separata funziona bene e le informazioni vengono rimosse dalla linea dati solo nel momento in cui arriva un impulso di clock. Nelle reti, l'uso di questo schema crea difficoltà dovute all'eterogeneità delle caratteristiche dei conduttori nei cavi. Su lunghe distanze, le increspature della velocità del segnale possono far sì che l'orologio arrivi così tardi o troppo presto per il segnale di dati corrispondente che un bit di dati viene saltato o riletto. Un altro motivo per cui le reti si rifiutano di utilizzare gli impulsi di clock è quello di risparmiare conduttori in cavi costosi. Pertanto, le reti utilizzano il cosiddetto codici auto-sincronizzati, i cui segnali portano indicazioni per il trasmettitore in quale momento è necessario riconoscere il bit successivo (o più bit, se il codice è orientato a più di due stati di segnale). Qualsiasi forte calo del segnale - il cosiddetto davanti- può servire come una buona indicazione per la sincronizzazione del ricevitore con il trasmettitore. Quando si utilizzano sinusoidi come segnale portante, il codice risultante ha la proprietà di autosincronizzazione, poiché una variazione dell'ampiezza della frequenza portante consente al ricevitore di determinare il momento in cui appare il codice di ingresso.
Il riconoscimento e la correzione dei dati distorti è difficile da implementare per mezzo del livello fisico, quindi molto spesso questo lavoro viene svolto dai protocolli che si trovano sopra: canale, rete, trasporto o applicazione. D'altra parte, il riconoscimento degli errori a livello fisico consente di risparmiare tempo, poiché il ricevitore non attende che il frame sia completamente memorizzato nel buffer, ma lo rifiuta immediatamente quando vengono riconosciuti bit errati all'interno del frame.
I requisiti per i metodi di codifica sono reciprocamente contraddittori, quindi ciascuno dei popolari metodi di codifica digitale discussi di seguito ha i suoi vantaggi e svantaggi rispetto ad altri.
Uno dei metodi più semplici potenziale la codifica è codice potenziale unipolare, chiamato anche codifica senza tornare a zero (Non Return to Zero-NRZ) (fig.7.1.a). Il cognome riflette il fatto che quando viene trasmessa una sequenza di unità, il segnale non torna a zero durante il ciclo. Il metodo NRZ ha un buon rilevamento degli errori (a causa di due potenziali nettamente diversi), ma non ha la proprietà di autosincronizzazione. Quando si trasmette una lunga sequenza di uno o zero, il segnale di linea non cambia, quindi il ricevitore non è in grado di determinare dal segnale di ingresso i punti temporali in cui è necessario leggere nuovamente i dati. Anche con un generatore di clock molto preciso, il ricevitore può sbagliare con il momento dell'acquisizione dei dati, poiché le frequenze dei due generatori non sono quasi mai completamente identiche. Pertanto, a velocità di trasmissione dati elevate e lunghe sequenze di uno o zero, una piccola mancata corrispondenza delle frequenze di clock può portare a un errore in un intero ciclo e, di conseguenza, alla lettura di un valore di bit errato.
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Riso. 7.1. Metodi di codifica dei dati binari: a-potenza unipolare
codice sociale; b- codice potenziale bipolare; in- im-
codice impulso; G -codice impulso bipolare; d-codice "Manchester";
e- codice potenziale con quattro livelli di segnale.
Un altro grave svantaggio del metodo NRZ è la presenza di una componente a bassa frequenza che si avvicina allo zero quando si trasmettono lunghe sequenze di uno o zero. Per questo motivo, molte linee di comunicazione che non forniscono un collegamento galvanico diretto tra il ricevitore e la sorgente non supportano questo tipo di codifica. Di conseguenza, il codice NRZ nella sua forma pura non viene utilizzato nelle reti, ma vengono utilizzate le sue varie modifiche, in cui vengono eliminate sia la scarsa autosincronizzazione del codice NRZ che la presenza di una componente costante.
Una delle modifiche del metodo NRZ è il metodo codifica del potenziale bipolare con inversione alternativa (Bipolar Alternate Mark Inversion-AMI). In questo metodo ( Riso. 7.1.b) vengono utilizzati tre livelli di potenziale: negativo, zero e positivo. Per codificare uno zero logico, viene utilizzato un potenziale zero e un'unità logica viene codificata da un potenziale positivo o negativo (in questo caso, il potenziale di ogni nuova unità è opposto al potenziale della precedente). Il codice AMI elimina parzialmente il controller di dominio e la mancanza di problemi di autoscatto inerenti al codice NRZ. Questo accade quando si inviano lunghe sequenze di quelli. In questi casi il segnale sulla linea è una sequenza di impulsi bipolari aventi lo stesso spettro del codice NRZ che trasmettono zeri e uno alternati, cioè privi di componente costante e con un'armonica fondamentale di N/2 Hz (dove N è la velocità in bit dei dati) . Anche lunghe sequenze di zeri sono pericolose per il codice AMI, così come per il codice NRZ: il segnale degenera in un potenziale costante di ampiezza zero. In generale, per diverse combinazioni di bit sulla linea, l'uso del codice AMI porta a uno spettro di segnali più ristretto rispetto al codice NRZ, e quindi a un throughput di linea più elevato. Ad esempio, quando si trasmettono uno e zero alternati, l'armonica fondamentale f 0 ha una frequenza di N/4 Hz. Il codice AMI fornisce anche alcune funzionalità per il riconoscimento di segnali errati. Pertanto, una violazione della rigida alternanza della polarità dei segnali indica un falso impulso o la scomparsa di un impulso corretto dalla linea. Viene chiamato un segnale con polarità errata segnale proibito (violazione del segnale). Poiché il codice AMI utilizza non due, ma tre livelli di segnale per linea, il livello aggiuntivo richiede un aumento della potenza del trasmettitore per fornire la stessa fedeltà di bit sulla linea, il che è uno svantaggio generale dei codici con più stati del segnale rispetto ai codici che solo distinguere due stati.
Più metodi semplici impulsivo le codifiche sono codice impulso unipolare, in cui uno è rappresentato dalla quantità di moto e zero è rappresentato dalla sua assenza ( Riso. 7.1c), e codice impulso bipolare, in cui l'unità è rappresentata da un impulso di una polarità e zero è l'altra ( Riso. 7,1 g). Ogni impulso dura mezzo ciclo. Il codice di impulso bipolare ha buone proprietà di autosincronizzazione, ma può essere presente una componente di impulso CC, ad esempio, quando si trasmette una lunga sequenza di uno o zero. Inoltre, il suo spettro è più ampio di quello dei potenziali codici. Quindi, quando si trasmettono tutti zeri o uno, la frequenza dell'armonica fondamentale del codice sarà uguale a N Hz, che è due volte superiore all'armonica fondamentale del codice NRZ e quattro volte superiore all'armonica fondamentale del codice AMI quando si trasmettono uno e zero alternati. A causa dello spettro troppo ampio, il codice dell'impulso bipolare viene utilizzato raramente.
Nelle reti locali, fino a tempi recenti, il metodo di codifica più diffuso era il cosiddetto " codice Manchester"(Riso. 7.1e). Nel codice di Manchester, per codificare uno e zero viene utilizzata una potenziale caduta, ovvero il fronte dell'impulso. Nella codifica Manchester, ogni orologio è diviso in due parti. Le informazioni sono codificate da potenziali cadute che si verificano nel mezzo di ogni ciclo. Un'unità è codificata da una transizione da basso ad alto e uno zero è codificato da un fronte inverso. All'inizio di ogni ciclo può verificarsi un fronte del segnale di servizio se è necessario rappresentare più uno o più zeri di seguito. Poiché il segnale cambia almeno una volta per ciclo di trasmissione di un bit di dati, il codice Manchester ha buone proprietà di auto-clock. La larghezza di banda del codice Manchester è più stretta di quella dell'impulso bipolare. Inoltre non ha una componente costante e l'armonica fondamentale nel peggiore dei casi (quando si trasmette una sequenza di uno o zero) ha una frequenza di N Hz, e nel migliore dei casi (quando si trasmette uno e zero alternati) è uguale a N / 2 Hz, come nei codici AMI o NRZ. In media, la larghezza di banda del codice Manchester è una volta e mezza più stretta di quella del codice a impulsi bipolari e l'armonica fondamentale oscilla intorno a 3N/4. Un altro vantaggio del codice Manchester è che ha solo due livelli di segnale, mentre il codice impulso bipolare ne ha tre.
Esistono anche potenziali codici con un gran numero di livelli di segnale per la codifica dei dati. Mostrato come esempio ( figura 7.1e) codice potenziale 2B1Q con quattro livelli di segnale per la codifica dei dati. In questo codice, ogni due bit vengono trasmessi in un ciclo da un segnale che ha quattro stati. Una coppia di bit "00" corrisponde a un potenziale di -2,5 V, una coppia di bit "01" - un potenziale di -0,833 V, una coppia di bit "11" - un potenziale di +0,833 V e una coppia di bit "10" - un potenziale di +2,5 V. Questo metodo di codifica richiede misure aggiuntive per gestire lunghe sequenze di coppie di bit identiche, da allora il segnale si trasforma in una componente costante. Con l'interleaving di bit casuale, lo spettro del segnale è due volte più stretto di quello del codice NRZ (alla stessa velocità di trasmissione, il tempo di ciclo è raddoppiato). Pertanto, utilizzando il codice 2B1Q presentato, è possibile trasferire i dati sulla stessa linea due volte più velocemente rispetto all'utilizzo del codice AMI. Tuttavia, per la sua implementazione, la potenza del trasmettitore deve essere maggiore in modo che i quattro livelli siano chiaramente distinti dal ricevitore sullo sfondo dell'interferenza.
Per migliorare potenziali codici come AMI e 2B1Q, codifica logica. La codifica logica è progettata per sostituire lunghe sequenze di bit, portando a un potenziale costante, intervallato da quelli. Due metodi sono caratteristici per la codifica logica: codici ridondanti e scrambling.
Codici ridondanti si basano sulla divisione della sequenza originale di bit in porzioni, che sono spesso chiamate caratteri. Quindi ogni personaggio originale viene sostituito con uno nuovo che ha più bit dell'originale. Ad esempio, un codice logico 4B/5B sostituisce i caratteri originali a 4 bit con caratteri a 5 bit. Poiché i simboli risultanti contengono bit ridondanti, il numero totale di combinazioni di bit in essi contenuti è maggiore rispetto a quelli originali. Quindi, nel codice 4B / 5B, i simboli risultanti possono contenere combinazioni di 32 bit, mentre i simboli originali - solo 16. Pertanto, nel codice risultante, puoi selezionare 16 di queste combinazioni che non contengono un numero elevato di zeri e conta il resto codici proibiti (violazione del codice). Oltre a rimuovere DC e rendere il codice auto-sincronizzante, i codici ridondanti consentono al ricevitore di riconoscere i bit corrotti. Se il ricevitore riceve un codice proibito, significa che il segnale è stato distorto sulla linea. Il codice 4V/5V viene trasmesso sulla linea utilizzando una codifica fisica utilizzando uno dei potenziali metodi di codifica sensibile solo a lunghe sequenze di zeri. I simboli del codice 4V/5V, lunghi 5 bit, garantiscono che sulla linea non possono comparire più di tre zeri di fila per qualsiasi combinazione di essi. La lettera B nel nome in codice significa che il segnale elementare ha 2 stati (dall'inglese binary - binary). Esistono anche codici con tre stati di segnale, ad esempio, nel codice 8B / 6T, per codificare 8 bit di informazioni iniziali, viene utilizzato un codice di 6 segnali, ognuno dei quali ha tre stati. La ridondanza del codice 8B/6T è superiore a quella del codice 4B/5B, poiché ci sono 729 (3 alla potenza di 6) simboli risultanti per 256 codici sorgente. L'uso della tabella di ricerca è un'operazione molto semplice, quindi questo approccio non complica schede di rete e blocchi di interfaccia di switch e router (vedi sezioni 9,11).
Per fornire una determinata capacità di linea, un trasmettitore che utilizza un codice ridondante deve funzionare a una frequenza di clock maggiore. Quindi, per trasmettere codici 4V / 5V a una velocità di 100 Mbps, il trasmettitore deve funzionare a una frequenza di clock di 125 MHz. In questo caso, lo spettro del segnale sulla linea viene ampliato rispetto al caso in cui un codice puro e non ridondante viene trasmesso sulla linea. Tuttavia, lo spettro del codice potenziale ridondante risulta essere più ristretto dello spettro del codice Manchester, il che giustifica lo stadio aggiuntivo della codifica logica, nonché il funzionamento del ricevitore e del trasmettitore a una frequenza di clock maggiore.
Un altro modo di codificazione logica si basa sulla "miscelazione" preliminare dell'informazione iniziale in modo tale che le probabilità di comparsa di uno e zero sulla riga si avvicinino. Vengono chiamati i dispositivi oi blocchi che eseguono questa operazione scrambler(scramble - dump, montaggio disordinato). In rimescolando viene utilizzato un noto algoritmo, quindi il ricevitore, dopo aver ricevuto dati binari, li trasmette a decodificatore, che ripristina la sequenza di bit originale. I bit in eccesso non vengono trasmessi sulla linea. La ridondanza potenziale migliorata e i codici criptati vengono utilizzati nella moderna alta velocità tecnologie di rete invece di "Manchester" e codifica del polso bipolare.
7.6. Tecnologie di multiplexing delle linee di comunicazione
Per multiplexing("compattazione") delle linee di comunicazione, vengono utilizzate diverse tecnologie. Tecnologia frequenzamultiplexing(Multiplexing a divisione di frequenza - FDM) è stato originariamente sviluppato per le reti telefoniche, ma è utilizzato anche per altri tipi di reti, come le reti tv via cavo. Questa tecnologia presuppone il trasferimento dei segnali di ciascun canale di abbonato al proprio intervallo di frequenza e la trasmissione simultanea di segnali da più canali di abbonato in una linea di comunicazione a banda larga. Ad esempio, gli ingressi di uno switch FDM ricevono segnali iniziali dagli abbonati alla rete telefonica. L'interruttore esegue una traslazione di frequenza di ciascun canale nella propria banda di frequenza. Tipicamente, la gamma ad alta frequenza è suddivisa in bande allocate per la trasmissione di dati dai canali degli abbonati. Nella linea di comunicazione tra due interruttori FDM, i segnali di tutti i canali degli abbonati vengono trasmessi contemporaneamente, ma ognuno di essi occupa la propria banda di frequenza. L'interruttore FDM di uscita separa i segnali modulati di ciascuna frequenza portante e li trasmette al canale di uscita corrispondente a cui è collegato direttamente il telefono dell'abbonato. Gli switch FDM possono eseguire sia la commutazione dinamica che quella permanente. Nella commutazione dinamica, un abbonato avvia una connessione con un altro abbonato inviando il numero dell'abbonato chiamato alla rete. Lo switch assegna dinamicamente una delle bande libere a questo abbonato. Con una commutazione costante, la banda viene assegnata all'abbonato per molto tempo. Il principio della commutazione basata sulla divisione della frequenza rimane invariato nelle reti di tipo diverso, cambiano solo i confini delle bande assegnate a un canale di abbonato separato, nonché il loro numero.
Tecnologia multiplexingmultiproprietà(Multiplexing a divisione di tempo - TDM) o temporaneo multiplexing si basa sull'uso di apparecchiature TDM (multiplexer, switch, demultiplexer) che operano in modalità time-sharing, servendo a turno tutti i canali degli abbonati durante un ciclo. A ciascuna connessione viene assegnata una fascia oraria del ciclo operativo hardware, detto anche fascia oraria. La durata della fascia oraria dipende dal numero di canali di abbonati serviti dall'apparecchiatura. Le reti TDM possono supportare entrambe dinamico, o permanente commutazione, e talvolta entrambe queste modalità.
Reti con commutazione dinamica richiedono una procedura preliminare per stabilire una connessione tra gli abbonati. Per fare ciò, l'indirizzo dell'abbonato chiamato viene trasmesso alla rete, che passa attraverso gli switch e li configura per la successiva trasmissione di dati. La richiesta di connessione viene instradata da uno switch all'altro e alla fine raggiunge la parte chiamata. La rete può rifiutarsi di stabilire una connessione se la capacità del canale di uscita richiesto è già stata esaurita. Per uno switch FDM, la capacità di uscita è uguale al numero di bande di frequenza e per uno switch TDM, è uguale al numero di intervalli di tempo in cui è suddiviso il ciclo di funzionamento del canale. La rete rifiuta anche la connessione se l'abbonato richiesto ha già stabilito una connessione con qualcun altro. Nel primo caso, dicono che l'interruttore è occupato e nel secondo - l'abbonato. La possibilità di un errore di connessione è uno svantaggio del metodo di commutazione del circuito. Se è possibile stabilire una connessione, viene assegnata una larghezza di banda fissa nelle reti FDM o una larghezza di banda fissa nelle reti TDM. Questi valori rimangono invariati per tutto il periodo di connessione. Il throughput di rete garantito dopo che è stata stabilita una connessione è una caratteristica importante richiesta per applicazioni come la trasmissione di voce e video o il controllo di oggetti in tempo reale.
Se è presente un solo canale di comunicazione fisico, ad esempio, quando si scambiano dati utilizzando i modem sulla rete telefonica, il funzionamento duplex è organizzato sulla base della divisione del canale in due sottocanali logici utilizzando le tecnologie FDM o TDM. Quando si utilizza la tecnologia FDM, i modem per l'organizzazione del funzionamento duplex su una linea a due fili funzionano a quattro frequenze (due frequenze - per codificare uno e zero quando si trasmettono dati in una direzione e le altre due frequenze - per codificare quando si trasmette nella direzione opposta ). Nella tecnologia TDM, alcuni intervalli di tempo vengono utilizzati per trasferire i dati in una direzione e alcuni vengono utilizzati per trasferire i dati nell'altra direzione. Di solito, si alternano fasce orarie di direzioni opposte.
Nei cavi in fibra ottica per l'organizzazione del funzionamento duplex quando si utilizza una sola fibra ottica, la trasmissione dei dati in una direzione viene eseguita utilizzando un raggio di luce di una lunghezza d'onda e, nella direzione opposta, una lunghezza d'onda diversa. Questa tecnologia è essenzialmente correlata al metodo FDM, ma per i cavi in fibra ottica si chiama tecnologie di multiplexing della lunghezza d'onda(Multiplexing a divisione d'onda - WDM) o onda multiplexing.
Tecnologiaonda densamultiplexing (spettrale).(Multiplexing a divisione d'onda densa - DWDM) è progettato per creare una nuova generazione di dorsali ottiche operanti a velocità multi-gigabit e terabit. Un tale salto qualitativo nelle prestazioni è fornito dal fatto che le informazioni in una fibra ottica vengono trasmesse contemporaneamente da un gran numero di onde luminose. Le reti DWDM funzionano secondo il principio della commutazione del circuito, con ciascuna onda luminosa che rappresenta un canale spettrale separato e trasporta le proprie informazioni. Uno dei principali vantaggi Tecnologie DWDM rappresenta un aumento significativo del fattore di utilizzo del potenziale di frequenza della fibra ottica, la cui larghezza di banda teorica è di 25.000 GHz.
Riepilogo
Nei moderni sistemi di telecomunicazione, le informazioni vengono trasmesse attraverso onde elettromagnetiche: segnali elettrici, luminosi o radio.
Le linee di comunicazione, a seconda del tipo di supporto fisico per la trasmissione delle informazioni, possono essere via cavo (cablate) o wireless. Come linee di comunicazione vengono utilizzati cavi telefonici basati su conduttori paralleli non twistati, cavi coassiali, cavi basati su doppini intrecciati (non schermati e schermati), cavi in fibra ottica. I più efficaci oggi e promettenti nel prossimo futuro sono i cavi basati su doppini intrecciati e cavi in fibra ottica. Le linee di comunicazione wireless sono spesso implementate trasmettendo segnali radio in varie bande di onde radio. tecnologia a infrarossi trasmissione senza fili i dati utilizzano la parte dello spettro elettromagnetico compresa tra la luce visibile e le microonde più corte. Il più ad alta velocità e immune al rumore è tecnologia laser connessione senza fili.
Le caratteristiche principali delle linee di comunicazione sono la risposta in frequenza, la larghezza di banda e l'attenuazione ad una certa frequenza.
Il throughput di una linea di comunicazione caratterizza la massima velocità di trasferimento dati possibile su di essa. L'immunità ai disturbi di una linea di comunicazione determina la sua capacità di ridurre il livello di interferenza generata nell'ambiente esterno sui conduttori interni. L'affidabilità della trasmissione dei dati caratterizza la probabilità di distorsione per ogni bit di dati trasmesso.
La rappresentazione di informazioni discrete in una forma o nell'altra dei segnali applicati alla linea di comunicazione è chiamata codifica fisica. La codifica logica implica la sostituzione di bit dell'informazione originale con una nuova sequenza di bit che contiene le stesse informazioni ma ha proprietà aggiuntive.
Per trasmettere dati discreti su linee di comunicazione con una banda di frequenza stretta, viene utilizzata la modulazione analogica, in cui le informazioni vengono codificate modificando l'ampiezza, la frequenza o la fase di un segnale di frequenza portante sinusoidale. Quando si codificano digitalmente informazioni discrete, vengono utilizzati codici di potenziale e di impulso. Per il multiplexing delle linee di comunicazione vengono utilizzate tecnologie di multiplexing di frequenza, tempo e onde.
domande di prova e compiti
1. Fornire la classificazione delle linee di comunicazione.
2. Descrivere le linee di comunicazione via cavo più comuni.
3. Presentare le principali linee di comunicazione wireless e fornire le loro caratteristiche comparative.
4. A causa di quali fattori fisici i canali di comunicazione distorcono i segnali trasmessi?
5. Qual è la caratteristica ampiezza-frequenza di un canale di comunicazione?
6. In quali unità viene misurata la larghezza di banda del canale di comunicazione?
7. Descrivere il concetto di "immunità al rumore della linea di comunicazione".
8. Cosa determina la caratteristica "affidabilità della trasmissione dati" e in quali unità viene misurata?
9. Che cos'è la "modulazione analogica" e quali tipi di essa vengono utilizzati per trasmettere dati discreti?
10. Quale dispositivo svolge le funzioni di modulazione della sinusoide portante sul lato trasmittente e di demodulazione sul lato ricevente?
11. Indicare la differenza tra codifica potenziale e impulsiva dei segnali digitali.
12. Cosa sono i codici di sincronizzazione automatica?
13. Qual è lo scopo della codifica logica dei segnali digitali e quali metodi vengono utilizzati?
14. Descrivere la tecnologia del multiplexing di frequenza delle linee di comunicazione.
15. Quali sono le caratteristiche della tecnologia di multiplexing a divisione di tempo?
16. Quale tecnologia multiplexing viene utilizzata nei cavi in fibra ottica per organizzare il funzionamento duplex quando si utilizza una sola fibra ottica?
17. Qual è lo scopo della tecnologia di multiplexing a onde dense?
Quando si trasmettono dati discreti sui canali di comunicazione, vengono utilizzati due tipi principali di codifica fisica -basato segnale portante sinusoidale e basato su una sequenza di impulsi rettangolari. Viene spesso chiamato anche il primo metodo modulazione o modulazione analogica, sottolineando il fatto che la codifica viene effettuata modificando i parametri del segnale analogico. Il secondo modo è solitamente chiamato codifica digitale. Questi metodi differiscono per l'ampiezza dello spettro del segnale risultante e per la complessità delle apparecchiature richieste per la loro implementazione.
Quando si utilizzano impulsi rettangolari, lo spettro del segnale risultante è molto ampio. Ciò non sorprende se ricordiamo che lo spettro di una quantità di moto ideale ha un'ampiezza infinita. L'uso di una sinusoide si traduce in uno spettro molto più piccolo alla stessa velocità di informazione. Tuttavia, l'implementazione della modulazione sinusoidale richiede apparecchiature più complesse e costose rispetto all'implementazione di impulsi rettangolari.
Attualmente, sempre più spesso, i dati che inizialmente hanno una forma analogica - discorso, un'immagine televisiva - vengono trasmessi su canali di comunicazione in forma discreta, cioè sotto forma di una sequenza di uno e zero. Viene chiamato il processo di rappresentazione dell'informazione analogica in forma discreta modulazione discreta. I termini "modulazione" e "codifica" sono spesso usati in modo intercambiabile.
In codifica digitale vengono utilizzate informazioni discrete, codici di potenziale e di impulso. Nei codici potenziali, viene utilizzato solo il valore del potenziale del segnale per rappresentare uno e zero logici e le sue cadute, che formano impulsi completi, non vengono prese in considerazione. I codici a impulsi consentono di rappresentare i dati binari sia da impulsi di una certa polarità, sia da una parte dell'impulso, una potenziale caduta di una certa direzione.
Quando si utilizzano impulsi rettangolari per trasmettere informazioni discrete, è necessario scegliere un metodo di codifica che raggiunga contemporaneamente diversi obiettivi: allo stesso bit rate, avere la più piccola larghezza dello spettro del segnale risultante; sincronizzazione fornita tra trasmettitore e ricevitore;
Aveva la capacità di riconoscere gli errori; aveva un basso costo di attuazione.
Le reti usano i cosiddetti codici auto-sincronizzati, i cui segnali portano indicazioni per il trasmettitore in quale momento è necessario riconoscere il bit successivo (o più bit, se il codice è orientato a più di due stati di segnale). Qualsiasi spigolo vivo nel segnale - il cosiddetto bordo - può servire come una buona indicazione per la sincronizzazione del ricevitore con il trasmettitore. Il riconoscimento e la correzione dei dati distorti è difficile da implementare per mezzo del livello fisico, quindi molto spesso questo lavoro viene svolto dai protocolli che si trovano sopra: canale, rete, trasporto o applicazione. D'altra parte, il riconoscimento degli errori a livello fisico consente di risparmiare tempo, poiché il ricevitore non attende che il frame sia completamente posizionato nel buffer, ma lo rifiuta immediatamente dopo il posizionamento. conoscere gli errori di bit all'interno di un frame.
Potenziale codice non-ritorno a zero, un metodo di potenziale codifica, chiamato anche codifica senza tornare a zero (Non Restituzione a Zero, NRZ). Il cognome riflette il fatto che quando si trasmette una sequenza di unità, il segnale non torna a zero durante il ciclo (come vedremo in seguito, in altri metodi di codifica, in questo caso si verifica un ritorno a zero). Il metodo NRZ è facile da implementare, ha un buon riconoscimento degli errori (a causa di due potenziali nettamente diversi), ma non ha la proprietà di autosincronizzazione. Quando si trasmette una lunga sequenza di uno o zero, il segnale sulla linea non cambia, quindi il ricevitore non è in grado di determinare dal segnale di ingresso i tempi in cui è necessario leggere nuovamente i dati. Anche con un generatore di clock molto preciso, il ricevitore può sbagliare il momento dell'acquisizione dei dati, poiché le frequenze dei due generatori non sono mai completamente identiche. Pertanto, a velocità di trasmissione dati elevate e lunghe sequenze di uno o zero, una piccola mancata corrispondenza delle frequenze di clock può portare a un errore in un intero ciclo e, di conseguenza, alla lettura di un valore di bit errato.
Metodo di codifica bipolare con inversione alternativa. Una delle modifiche del metodo NRZ è il metodo codifica bipolare con inversione alternativa (Bipolare Alternato Segno inversione, AMI). Questo metodo utilizza tre livelli di potenziale: negativo, zero e positivo. Per codificare uno zero logico, viene utilizzato un potenziale zero e un'unità logica viene codificata da un potenziale positivo o negativo, mentre il potenziale di ogni nuova unità è opposto al potenziale della precedente. Pertanto, una violazione della rigida alternanza della polarità dei segnali indica un falso impulso o la scomparsa di un impulso corretto dalla linea. Viene chiamato un segnale con polarità errata segnale proibito (segnale violazione). Nel codice AMI vengono utilizzati non due, ma tre livelli di segnale per linea. Lo strato aggiuntivo richiede un aumento della potenza del trasmettitore di circa 3dB per fornire la stessa fedeltà di bit sulla linea, che è uno svantaggio generale dei codici con più stati di segnale rispetto ai codici che distinguono solo due stati.
Codice potenziale con inversione all'unità. Esiste un codice simile all'AMI, ma con solo due livelli di segnale. Quando viene trasmesso zero, trasmette il potenziale che era stato impostato nel ciclo precedente (cioè non lo cambia) e quando viene trasmesso uno, il potenziale viene invertito al contrario. Questo codice è chiamato codice potenziale con inversione all'unità (Non Restituzione a Zero insieme a quelli invertito, NRZI). Questo codice è utile nei casi in cui l'uso di un terzo livello di segnale è altamente indesiderabile, ad esempio nei cavi ottici, dove vengono riconosciuti in modo affidabile due stati del segnale: chiaro e scuro.
Codice impulso bipolare Oltre ai potenziali codici, le reti utilizzano anche codici a impulsi quando i dati sono rappresentati da un impulso completo o da una sua parte, un fronte. Il caso più semplice di questo approccio è codice impulso bipolare, in cui l'unità è rappresentata da un impulso di una polarità e zero è l'altra . Ogni impulso dura mezzo ciclo. Tale codice ha eccellenti proprietà di autosincronizzazione, ma può essere presente un componente CC, ad esempio, durante la trasmissione di una lunga sequenza di uno o zero. Inoltre, il suo spettro è più ampio di quello dei potenziali codici. Quindi, quando si trasmettono tutti zeri o uno, la frequenza dell'armonica fondamentale del codice sarà uguale a NHz, che è due volte superiore all'armonica fondamentale del codice NRZ e quattro volte superiore all'armonica fondamentale del codice AMI quando trasmettere uno e zero alternati. A causa dello spettro troppo ampio, il codice dell'impulso bipolare viene utilizzato raramente.
codice Manchester. Nelle reti locali, fino a tempi recenti, il metodo di codifica più diffuso era il cosiddetto codice Manchester. Viene utilizzato nelle tecnologie Ethernet e TokenRing. Nel codice di Manchester, per codificare uno e zero viene utilizzata una potenziale caduta, ovvero il fronte dell'impulso. Nella codifica Manchester, ogni orologio è diviso in due parti. Le informazioni sono codificate da potenziali cadute che si verificano nel mezzo di ogni ciclo. Un'unità è codificata da un livello di segnale da basso ad alto e uno zero è codificato da un fronte inverso. All'inizio di ogni ciclo può verificarsi un fronte del segnale di servizio se è necessario rappresentare più uno o più zeri di seguito. Poiché il segnale cambia almeno una volta per ciclo di trasmissione di un bit di dati, il codice Manchester ha buone proprietà di autosincronizzazione. La larghezza di banda del codice Manchester è più stretta di quella dell'impulso bipolare. In media, la larghezza di banda del codice Manchester è una volta e mezza più stretta di quella del codice a impulsi bipolari e l'armonica fondamentale oscilla intorno a 3N/4. Il codice Manchester ha un altro vantaggio rispetto al codice impulso bipolare. Quest'ultimo utilizza tre livelli di segnale per la trasmissione dei dati, mentre Manchester ne utilizza due.
Codice potenziale 2B 1Q. Codice potenziale con quattro livelli di segnale per la codifica dei dati. Questo è il codice 2 IN 1Q, il cui nome riflette la sua essenza: ogni due bit (2B) vengono trasmessi in un ciclo da un segnale che ha quattro stati (1Q). Il bit 00 è -2,5 V, il bit 01 è -0,833 V, 11 è +0,833 V e 10 è +2,5 V. Con questo metodo di codifica, sono necessarie misure aggiuntive per gestire lunghe sequenze di coppie di bit identiche, poiché il segnale viene quindi convertito in una componente costante. Con l'interleaving di bit casuale, lo spettro del segnale è due volte più stretto di quello del codice NRZ, poiché allo stesso bit rate la durata del clock è raddoppiata. Pertanto, utilizzando il codice 2B 1Q, è possibile trasferire i dati due volte più velocemente sulla stessa linea rispetto all'utilizzo del codice AMI o NRZI. Tuttavia, per la sua implementazione, la potenza del trasmettitore deve essere maggiore in modo che i quattro livelli siano chiaramente distinti dal ricevitore sullo sfondo dell'interferenza.
Codifica logica La codifica logica viene utilizzata per migliorare potenziali codici come AMI, NRZI o 2Q.1B. La codifica logica dovrebbe sostituire lunghe sequenze di bit che portano a un potenziale costante con quelli intervallati. Come notato sopra, due metodi sono caratteristici della codifica logica -. codici ridondanti e scrambling.
Codici ridondanti si basano sulla divisione della sequenza originale di bit in porzioni, che sono spesso chiamate caratteri. Quindi ogni personaggio originale viene sostituito con uno nuovo che ha più bit dell'originale.
Per fornire una determinata capacità di linea, un trasmettitore che utilizza un codice ridondante deve funzionare a una frequenza di clock maggiore. Quindi, per trasmettere codici 4V/5V ad una velocità di 100 Mb/s, il trasmettitore deve funzionare ad una frequenza di clock di 125 MHz. In questo caso, lo spettro del segnale sulla linea viene ampliato rispetto al caso in cui un codice puro e non ridondante viene trasmesso sulla linea. Tuttavia, lo spettro del codice potenziale ridondante risulta essere più ristretto dello spettro del codice Manchester, il che giustifica lo stadio aggiuntivo della codifica logica, nonché il funzionamento del ricevitore e del trasmettitore a una frequenza di clock maggiore.
Arrampicarsi. Mescolare i dati con uno scrambler prima di metterli in linea con un codice sincero è un altro modo di codificare logica. I metodi di scrambling consistono nel calcolo bit per bit del codice risultante in base ai bit del codice sorgente e ai bit del codice risultante ricevuti nei cicli precedenti. Ad esempio, uno scrambler potrebbe implementare la seguente relazione:
Trasmissione asincrona e sincrona
Quando i dati vengono scambiati a livello fisico, l'unità di informazione è un bit, quindi il livello fisico significa mantenere sempre la sincronizzazione bit per bit tra il ricevitore e il trasmettitore. Di solito è sufficiente garantire la sincronizzazione a questi due livelli - bit e frame - in modo che il trasmettitore e il ricevitore possano garantire uno scambio stabile di informazioni. Tuttavia, quando scarsa qualità le linee di comunicazione (di solito questo vale per i canali telefonici commutati) per ridurre il costo delle apparecchiature e migliorare l'affidabilità della trasmissione dei dati introducono ulteriori mezzi di sincronizzazione a livello di byte.
Questa modalità di funzionamento è chiamata asincrono o start-stop. In modalità asincrona, ogni byte di dati è accompagnato da speciali segnali di avvio e arresto. Lo scopo di questi segnali è, in primo luogo, notificare al ricevitore l'arrivo di dati e, in secondo luogo, dare al ricevitore tempo sufficiente per eseguire alcune funzioni relative alla temporizzazione prima che arrivi il byte successivo. Il segnale di avvio ha una durata di un intervallo di clock e il segnale di arresto può durare uno, uno e mezzo o due clock, quindi si dice che uno, uno e mezzo o due bit siano usati come segnale di arresto, sebbene questi segnali non rappresentano bit utente.
Nella modalità di trasferimento sincrono, non ci sono bit di start-stop tra ogni coppia di byte. conclusioni
Quando si trasmettono dati discreti su un canale di frequenza vocale a banda stretta utilizzato nella telefonia, i metodi di modulazione analogica sono più adatti, in cui la sinusoide portante è modulata dalla sequenza originale di cifre binarie. Questa operazione viene eseguita da dispositivi speciali: modem.
Per la trasmissione di dati a bassa velocità, viene utilizzata una variazione della frequenza della sinusoide portante. I modem a velocità più elevate funzionano con metodi combinati di modulazione di ampiezza in quadratura (QAM), caratterizzati da 4 livelli di ampiezza sinusoidale portante e 8 livelli di fase. Non tutte le 32 combinazioni possibili del metodo QAM sono utilizzate per la trasmissione dei dati, le combinazioni vietate consentono di riconoscere dati distorti a livello fisico.
Sui canali di comunicazione a banda larga vengono utilizzati metodi di codifica del potenziale e dell'impulso, in cui i dati sono rappresentati da diversi livelli di potenziale del segnale costante o polarità dell'impulso o il suo davanti.
Quando si utilizzano codici potenziali, il compito di sincronizzare il ricevitore con il trasmettitore è di particolare importanza, poiché quando si trasmettono lunghe sequenze di zeri o uno, il segnale all'ingresso del ricevitore non cambia ed è difficile per il ricevitore determinare il momento di prelevando il bit di dati successivo.
Il codice potenziale più semplice è il codice NRZ (non ritorno a zero), ma non è auto-clock e crea un componente DC.
Il codice impulso più popolare è il codice Manchester, in cui l'informazione è trasportata dalla direzione del fronte del segnale nel mezzo di ogni ciclo. Il codice Manchester è utilizzato nelle tecnologie Ethernet e TokenRing.
Per migliorare le proprietà di un potenziale codice NRZ, vengono utilizzati metodi di codifica logica che escludono lunghe sequenze di zeri. Questi metodi si basano su:
Sull'introduzione di bit ridondanti nei dati originali (codici di tipo 4V/5V);
Scrambling dei dati originali (codici come 2B 1Q).
I codici potenziali migliorati hanno uno spettro più ristretto rispetto ai codici a impulsi, quindi sono utilizzati in tecnologie ad alta velocità come FDDI, FastEthernet, GigabitEthernet.
