Типы физического кодирования. Аналоговая модуляция.

1. на основе синусоидального несущего сигнала (аналоговая модуляция);
2. на основе последовательности прямоугольных импульсов (цифровая модуляция/кодирование).

Аналоговая модуляция

Чаще всего используется в телефонных сетях с каналом тональной частоты, который передаёт частоты от 300 до 3400 Гц (полоса пропускания 3100 Гц), что хватает для приемлемого качества передачи голоса (от 100 до 10000 Гц). Устройство, которое выполняет функции модуляции несущей синусоиды на передающей стороне и демодуляции на принимающей, называется модем. Он модулирует (изменяет) одну из трёх характеристик несущей: амплитуду, частоту или фазу (или их комбинацию). Основные методы аналоговой модуляции:

1. Амплитудная модуляция (Amplitutde - Shift Keying, ASK). Двоичные нули и единицы представлены в виде двух амплитуд, иногда одна из них равна нулю. Является неэффективной из-за низкой помехоустойчивости, хотя часто используется в сочетании с фазовой модуляцией. Обычно служит для передачи сигналов по оптоволокну (1 – импульс света, 0 – отсутствие). Скорость передачи данных, как правило, не превышает 1200 бит/с.
2. Частотная модуляция (FSK). Значения 0 и 1 передаются синусоидами с различной частотой. Скорость около 1200 бит/с.
3. Фазовая модуляция (PSK). Значениям 0 и 1 соответствуют сигналы одинаковой частоты, но различной фазы. Скорость около 9600 бит/с.

Для повышения скорости передачи данных в скоростных модемах используют комбинированные методы модуляции. Например, метод квадратурной амплитудной модуляции (QAM), основанный на сочетании фазовой модуляции (8 значений сдвига фаз) и амплитудной (4 уровня амплитуды), при этом из возможных 32 комбинаций используются лишь некоторые, в результате за счёт избыточности кодирования повышается распознавание ошибочных сигналов.

 

Физическое кодирование: цифровое кодирование.

Цифровое кодирование

Цифровое кодирование есть преобразование цифровой информации в цифровой сигнал. Различают потенциальные коды и импульсные. В потенциальных для представления 0 и 1 используется только значение потенциала, в импульсных – либо импульсы определённой полярности, либо перепад потенциала определённого направления. Основные схемы цифрового кодирования:

1. Потенциальный код без возвращения к нулю (Non Return to Zero (Level), NRZ или NRZ-L). Отрицательное напряжение служит для передачи 1, положительное – для 0. Сигнал никогда не равен 0. Используется в очень коротких каналах связи (ПК—модем), прост в реализации, обладает хорошим распознаванием ошибок. Недостатки: не обладает само синхронизацией: приемник не может по входным сигналам определить моменты времени, когда нужно считывать данные; частота основной гармоники N/2 (N – битовая скорость передачи данных); наличие низкочастотной составляющей.
2. Биполярный код с альтернативной инверсией (AMI). Для кодирования 0 используется нулевой потенциал, а 1 кодируется попеременно положительным и отрицательным потенциалом. Основная гармоника N/2. Нет низкочастотной составляющей, более узкий спектр сигнала. Требуется более мощный передатчик для обеспечения той же достоверности, что и при 2 уровнях сигнала.
3. Потенциальных код с инверсией при единице (Non Return to Zero with ones Inverted, NRZI). При передаче 0 потенциал не меняется, а при передаче 1 инвертируется на противоположный.
4. Манчестерский код. Для кодирования используется перепад потенциала (фронт импульса). Каждый такт делится на 2 части. 1 кодируется перепадом в середине такта от низкого уровня к высокому, 0 – обратным перепадом. При передаче нескольких единиц или нулей подряд в начале такта происходит служебный перепад сигнала. Хорошая само синхронизация. Нет постоянной составляющей. Основная гармоника от N/2 до N Гц. Используется в сетях, основанных на технологии Ethernet.
5. Относительный манчестерский код. Изменение уровня в середине такта служит только для синхронизации. 0 представлен в виде перехода в начале такта, а 1 – отсутствием такого перехода. Используется в сетях, основанных на технологии Token Ring.
6. Потенциальный код 2B1Q. Каждые два бита (2B) передаются за 1 такт (1Q) сигналом, имеющим 4 состояния. Паре 00 соответствует потенциал -2,5 В, 01 – -0,833 В, 11 – +0,833 В, 10 – +2,5 В.

Способы синхронизации приёмника и передатчика: синхронная и асинхронная

Передача.

Существует два подхода к синхронизации приемника и передатчика.

1. Асинхронная передача.

При использовании этого метода данные передаются посимвольно, длина каждого символа составляет от 5 до 8 бит. Каждый символ сопровождается сигналами «старт» и «стоп». «Старт» извещает приемник о приходе данных и имеет продолжительность в один тактовый интервал (двоичный ноль). Минимальная длительность стопового сигнала (двоичная единица) в зависимости от спецификации составляет 1, 1,5 или 2 такта. Если символы не передаются, линия находится в состоянии простоя, что эквивалентно передаче сигнального элемента, соответствующего двоичной единице. Таким образом, максимальная длительность стопового сигнала не определена.

За битами данных, обычно следует бит четности, который устанавливается передатчиком таким образом, чтобы общее число единиц в символе было четность (проверка на четность) или нечетным (проверка на нечетность), в зависимости от соглашения. Этот бит служит для выявления ошибок.

Асинхронным режим называется потому, что каждый бит может быть смещен во времени относительно побитовых тактов предыдущего символа. Асинхронная передача является простым и дешёвым средством, однако в этом режиме требуется 2 – 3 бита служебной информации на один символ. Например, при передаче 1 байта с 1-разрядным стоповым элементом получается, что 2 из 10 передаваемых битов не будут нести информации, что увеличивает общий объём передаваемых данных (трафик) на 20 %.

1. Синхронная передача

Блок битов передаётся в виде непрерывного потока без стартовых и стоповых элементов. Одним из вариантов предотвращения рассинхронизации является использование специальной линии между приёмником и передатчиком для передачи сигналов времени. Эта методика хорошо работает на коротких расстояниях, однако при увеличении расстояния импульсы времени искажаются по тем же причинам, что и импульсы данных.

Другим вариантом является встраивание информации о времени в сигнал с данными. В частности, при передаче цифровых сигналов это используется в манчестерском и относительном манчестерском коде.

Кроме того, для обеспечения синхронизации используются различные технологии канального уровня связи. Например, специальные форматы кадров, предусматривающие поля для указания преамбулы, заключения и информации управления каналом связи (эта информация позволяет автоматически выявлять ошибки передачи и повторно передавать ошибочные кадры). При этом доля служебной информации в общем объёме передаваемых данных не превышает нескольких процентов.

Данный режим обеспечивает большую эффективность по сравнению с асинхронной передачей.