Сигнали та коди комп'ютерних мереж

Структурна схема ланки передавання даних. Означення каналу зв'язку. Кодування та модуляція. Види модуляції в KM. Форми передавання даних у KM. Проблема синхронізації. Синхронне та асинхронне передавання. Передавання з автоналаштуванням. Кодування. Пристрій спряження.
4.1. Структурна схема ланки передавання даних
4.2. Форми передавання даних у каналах KM
4.3. Синхронізація
4.4. Пристрій спряження
4.1. Структурна схема ланки передавання даних
Сукупність засобів фізичного та канального рівнів утворює певну систему, яку називають ланкою, або каналом передавання даних (рис. 4.1). Канал передавання даних складається з таких елементів:
фізичного середовища передавання та відповідних роз'єднувачів (фізичного каналу);
засобів перетворення цифрових даних, які виробляє комп'ютер, у форму, прийнятну для передавання фізичним каналом (сигнал даних) та навпаки. Такі засоби називають пристроями спряження (Media Access Unit (MAU));
засоби керування ланкою даних.
Конкретніше каналом передавання даних називають сукупність програмно-технічних засобів та фізичного середовища передавання, призначених для передавання сигналу даних.
З погляду користувача головна характеристика каналу зв'язку - кількісні та якісні параметри сервісу, які надає його продавець. Сьогодні визначено багато загальноприйнятих типів каналів. Наприклад, служба Switched 56 - це канал з перепускною здатністю 56 Кбіт/с. Канал ТІ - має перепускну здатність 1.544 Мбіт/с, а канал ТЗ -45 Мбіт/с. Каналам ТІ, ТЗ, які діють у США, у Європі відповідають канали Е1 та ЕЗ з перепускною здатністю 2.048 та 34.368 Мбіт/с. Залежно від перепускної здатності канали утворюють ієрархії. Традиційні телефонні ІКМ-канали мають плезіохронну ієрархію. Перепускна здатність каналів мереж SDH утворює синхронну ієрархію (див. Д.4.1).
За напрямами розрізняють такі передавання даних у каналі зв'язку:
симплексне - передавання в одному напрямі;
напівдуплексне — передавання по черзі в прямому та зворотному напрямах;
дуплексне - передавання одночасно в прямому та зворотному напрямах.
Пристрій спряження виконує дві головні функції: кодування (декодування) та модуляцію (демодуляцію). Кодування - це певне перетворення цифрового коду, що надходить від комп'ютера, для збільшення його завадостійкості та зручності передавання. Схеми кодування можна також використовувати для збільшення швидкості передавання та зменшення ЕМВ. Сьогодні для побудови швидкісних локальних мереж застосовують нові схеми кодування.
Модуляцією називають процес переходу від кодового сигналу до сигналу даних. Як звичайно, для цього використовують сигнал-носій, деякі параметри якого змінюються відповідно до зміни кодового сигналу. У системах зв'язку найпоширенішими є модуляція гармонічних коливань та імпульсна модуляція.
У випадку модуляції гармонічних коливань носіями є гармонічні коливання струму або напруги. Залежно від того, який параметр гармонічного коливання змінюється, розрізняють амплітудну, фазову та частотну модуляції. У комп'ютерних мережах переважно використовують фазову або частотну модуляції. Амплітудну модуляцію, порівняно з іншими, більше спотворюють завади. (Загасання сигналу призводить до зменшення його амплітуди).
В імпульсній модуляції носієм є послідовність імпульсів. Залежно від параметрів цієї послідовності, які змінюються відповідно до кодового сигналу, розрізняють амплітудно-імпульсну, широтно-імпульсну, фазово-імпульсну та частотно-імпульсну модуляції. Для передавання даних магістральними телефонними каналами найчастіше застосовують імпульсно-кодову модуляцію (ІКМ) (див. Д.4.3).
Для передавання даних в аналоговій формі у глобальних мережах (найчастіше телефонним каналом) використовують модеми, у локальних - спеціальні адаптери, які значно збільшують швидкість передавання і можуть передавати дані як в аналоговій, так і в цифровій формах, а також лінійні контролери, які передають дані в цифровій формі.
На фізичний канал передавання даних впливають завади, які спотворюють сигнал та призводять до виникнення помилок. З впливом завад борються на фізичному та канальному рівнях протоколу, у тому числі засобами керування каналом передавання даних.
4.2. Форми передавання даних у каналах KM
Передавання цифрових даних у KM відбувається послідовно бітами, чим суттєво відрізняється від передавання між пристроями одного комп'ютера, де воно відбувається, як звичайно, паралельно'. Фізично біти передаються у вигляді сигналів. Є два головні типи сигналів -аналогові та цифрові. Під час роботи з аналоговими сигналами використовують модульований сигнал синусоїдного вигляду, а для роботи з цифровими сигналами - дво або n-рівневий (дискретний) сигнал. Аналогові сигнали менш чутливі до спотворень та загасання, але потребують апаратури для модуляції та демодуляції (рис. 4.2).
Менша завадостійкість цифрового сигналу призводить до того, що цифрове передавання між терміналом та комп'ютером обмежене відстанню 20-300 м залежно від типу кабелю (конденсаторний ефект, вплив подовжинної індуктивності).
З типом передавання сигналу тісно пов'язані поняття вузько- та широкосмугового передавання.
Вузькосмугове передавання (baseband) є цифровим. У цьому випадку передавання та приймання відбуваються одночасно, задіяна вся смуга перепускання кабелю. Для підсилення сигналу такого передавання застосовують повторювані.
Широкосмугове передавання (broadband) є аналоговим. Смуга перепускання каналу поділена на окремі діапазони частот, що їх використовують різні канали. Для поновлення сигналу застосовують підсилювачі.
Передавання цифрових даних відбувається без модуляції. У цьому випадку використовують метод за формою сигналу без повернення до нуля (Non Return to Zero) (рис. 4.3).
Як видно з рис. 4.3, визначити, де починаються і закінчуються логічні 0 та 1, важко. Для розпізнавання моментів закінчення та початку логічних сигналів використовують синхронізацію.
4.3. Синхронізація
Проблему синхронізації можна вирішити кількома способами. Один з них полягає у виділенні спеціальної лінії, якою передається сигнал тактової частоти - синхросигнал. У скрученій парі або коаксіальному кабелі такою лінією є другий дріт. У цьому випадку передавання називають синхронним (рис. 4.4).
Синхронним передавання може бути і без окремої лінії. У цьому випадку синхросигнал передається разом з даними, а також у проміжках між їхнім передаванням. Якщо ж у проміжках між передаванням даних синхросигнал не передається, то таке передавання називають асинхронним, або з автоналаштуванням. За низьких швидкостей ефективнішим є асинхронне передавання, за високих — з автоналаштуванням або синхронне.
У випадку асинхронного передавання потік бітів ділять на байти. Приймач та передавач мають вбудовані тактові генератори з однаковими частотами (допустима така похибка, яка унеможливлює розходження частот генераторів під час передавання одного байта на значення, що призведе до помилки в результатах). Перед кожним байтом передають стоп-біт. Його також передають, якщо канал вільний. Під час переходу з високого рівня на низький генератор налаштовується, перепускає один біт і приймає один байт (рис. 4.5).
Прикладом передавання з автоналаштуванням є манчестерське кодування (рис. Д.4.1). Його використовують у JIM Ethernet. Тактовий генератор приймача синхронізується під час передавання кожного біта у випадку переходу з З в L у середині інтервалу біта. Передавати можна необмежені послідовності бітів. Якщо інформація не передається, то генератори передавача та приймача розладнані. Тому перед передаванням треба надіслати спеціальну послідовність бітів - преамбулу — для синхронізації передавача і приймача, наприклад, 11111110.
4.4. Пристрій спряження
Виконання всіх внутрішніх машинних операцій відбувається з використанням цифрових сигналів паралельно. Як уже зазначено, перетворює цифрові сигнали у форму, сприйнятну для передавання в КМ та навпаки, пристрій спряження (рис. 4.6).
Діаграма, на прикладі якої можна пояснити роботу пристрою спряження для середовища, яке використовує манчестерський код та аналоговий сигнал з амплітудною модуляцією, показана нарис. 4.7.
Цифрові ієрархії
Магістральні канали з імпульсно-кодовою модуляцією (ІКМ) утворюють плезіохронну ієрархію. В її основі є базовий канал на 64 Кбіт/с (Digital Signal level 0) (DSO)). Власне така перепускна здатність потрібна для передавання одного телефонного ІКМ-модульованого сигналу мовлення. Наступний канал DS1 в американському варіанті ієрархії утворений 24 каналами DS0 + 8 біт/с. Перепускна здатність каналу DS1 - 1.544 Мбіт/с (ТІ). Послідовність швидкостей ієрархії: 1.5, 6.0, 45.0, 150.0 Мбіт/с). У європейському варіанті ієрархії швидкостей канал Е1 формують групуваннями 32 каналів DS1, і послідовність швидкостей така: 2, 8, 34, 150,...(Е1,Е2, ЕЗ,...).
Стандарт мереж SDH (Synchronous Digital Hierarchy) прийнятий у лютому 1988 р. комітетом Ф1X1 МКТТ (ITU). До того часу синхронні оптичні системи розвивалися різними шляхами у Європі та США. Наприклад, у США великої популярності набула специфікація SONET (Synchronous Optical Network). Однак через незбіжність з європейською ієрархією швидкостей телефонних каналів (різниця між Е1 та ТІ) у Європі ця специфікація підтримки не мала. Стандарт SDH об'єднав європейську та американську системи. Повніша інформація про мережі SDH є в Розділі 22. Головні канали ієрархії мереж SDH наведені у табл. Д.4.1.
Д.4.2. Схеми кодування інформації
У цифровій частині мережі швидкість генерування імпульсів відповідає тактовій частоті. Методи кодування дають змогу передати декілька бітів за один період сигналу. Цього досягають застосуванням кількох рівнів сигналу або паралельним передаванням по кількох дротах. Розглянемо найуживаніші у KM схеми кодування (рис. Д.4.1).
Код RZ (Return to Zero) з поверненням до нуля
Це код з автоналаштуванням (синхросигнал (строб) виділяють з самого сигналу). Одиниці відповідає від'ємне значення сигналу, а нулю -додатне. Логічне значення читається у напрямі повернення до нуля у середині бітового інтервалу. В такому коді бітова швидкість збігається зі
швидкістю генерування імпульсів, що не забезпечує високої швидкості передавання даних. Як видно з рис. Д.4.1, код має три рівні сигналу. Детектування цих рівнів потребує менших рівнів завад та якіснішої апаратури. RZ найчастіше застосовують у волоконно-оптичних лініях зв'язку. Правда, замість додатних, від'ємних та нульових рівнів напруги тут використовують три значення інтенсивності променя світла.
Коди NRZ (Non Return to Zero ) та NRZI (Non Return to Zero Inverted)
: Найпростіший код NRZ має два рівні сигналу: одиниці відповідає високий рівень, а нулю - низький; для коду NRZI навпаки. Код простий, однак він не вирішує проблеми синхронізації передавача і приймача. Наприклад, у разі передавання одних одиниць чи нулів сигнал є постійним, тому для синхронізування доводиться вводити стопові біти. NRZ у чистому вигляді застосовують у RS 232А, а також у ATM 155 (NRZI).
Манчестерський код
На відміну від RZ, він має не три, а два рівні сигналу, що сприяє завадостійкості; а також менші вимоги щодо якості обладнання. Код Манчестер-ІІ використовують у мережах Eternet 10 Base.
Код MLT-3 (Multilevel transmission)
Це код з трьома рівнями сигналів. Зміна сигналу відбувається на початку передавання біта. Якщо передається нуль, то зміни нема, а якщо одиниця, то відбувається зміна рівня сигналу на наступний (0,1,0, -1,0,...). У сигналі коду MLT-3 неможливе синхронізування, однак такий сигнал генерує менше завад (ЕМВ).
Код 4В5В
Цей код використовують як додаток до інших методів кодування, наприклад до NRZ. У цьому методі кодування до кожних чотирьох бітів додають п'ятий. З 32 комбінацій 5-бітового коду є 16 інформаційних, деякі службові та заборонені комбінації. Заборонені, наприклад, усі комбінації, в яких є три та більше нулів (сім комбінацій). Виявлення такої комбінації - сигнал про помилку. Відсутність довгих нульових послідовностей полегшує синхронізування. Схема кодування 4В5В використана в 100Base-T4 (TP-PMD).
КодРАМ-5
Кодом РАМ-5 кодують комбінації з двох бітів. Чотирьом можливим комбінаціям (00,01, 10, 11) відповідає певний рівень сигналу. П'яте значення зумовлює надлишковість, яку використовують для виявлення помилок. Код РАМ-5 застосовують для передавання в 1000 Base-ТХ паралельно по чотирьох парах. Швидкість передавання по одній з них - 250 Мбіт/с за тактової частоти 125 МГц.
Імпульсно-кодова модуляція
До появи кодового передавання найпоширенішим було аналогове. За аналового передавання широка смуга перепускання розділена на діапазони завширшки 4000 Гц (450 Гц з них використовують як проміжок між каналами). Кожен діапазон призначений певному каналу. Сигнал кожного каналу модулює частоту-носія у визначеному діапазоні, і по лінії переходить сигнал - композиція багатьох каналів. У приймача окремі канали знову виділяють, використовуючи спеціальні фільтри.
Недоліком такого ущільнювання є значні частотні спотворення, які спричинюють фільтри, та значний вплив одного каналу на інший, збільшення рівня загального шуму зі збільшенням кількості каналів мовлення. У цілому ця система застаріла тому її замінюють часовим розподілом каналів (ЧРК).
ІКМ розробив А.Х.Рівс ще у 30-ті роки XX ст. Весь процес перетворення сигналу полягав у трьох операціях: дискретизуванні, квантуванні, кодуванні.
Теоретичною базою систем з ЧРК є теорема Котельникова, згідно з якою, якщо сигнал не містить частотних складових вище частоти/, то його можна подати як сукупність дискретних відліків з часовим інтервалом 1 /(2/). Максимальна частота сигналу мовлення - 3400 Гц, і частота
дискретизації могла б бути 6800 Гц. Однак для спрощення технічної реалізації канальних фільтрів уважають, що ця частота дорівнює 8000 Гц.
Спочатку для кожного сигналу мовлення з групи відбувається читання значення (відлік) у певний момент часу. Таким способом весь сигнал мовлення можна подати як послідовність дискретних відліків (дискретизація) (рис. Д.4.2).
Потім значенню кожного відліку ставиться у відповідність цифровий код. У цьому разі близькі за значенням відліки можуть бути замінені однаковим кодом (квантування та кодування). Пристрій, який виконує дискретизацію, квантування та кодування, - це аналого-цифровий перетворювач (АЦП).
Набори кодових сигналів для відліків з певної групи первинних сигналів мовлення можна передавати як одне кодоване посилання — часовий розподіл каналів.
Переваги ІКМ:
цифрове передавання дає змогу додатково захистити сигнал від спотворень завдяки завадостійкому кодуванню;
цифрове передавання не потребує операцій демодуляції, цифрового опрацювання та модуляції під час проходження сигналом різноманітних комутаторів. Такі операції додатково спотворюють аналоговий сигнал;
спрощує та здешевлює апаратуру;
підвищує ефективність використання каналу зв'язку (завдяки стисненню).
Системи з ЧРК більше захищені від дії завад, оскільки передають цифрові двійкові сигнали, що їх розпізнають спеціальні порогові схеми. Отже, щоб була помилка, завада повинна значно змінити сигнал. Системи з ЧРК створено для потреб телефонних мереж - ущільнювання з'єднувальних ліній між АТС.
ІКМ та ЧРК сьогодні - це головна технологія передавання даних у магістральних каналах телефонних мереж.

Внимание, отключите Adblock

Вы посетили наш сайт со включенным блокировщиком рекламы!
Ссылка для скачивания станет доступной сразу после отключения Adblock!

Скачать