.1. Основные сведения. Территориальная сеть связи. Линия связи. Разновидности каналов связи. Передача информации по каналам связи. Системы телеобработки информации.
2. Каналы связи. Аппаратура линий связи. Характеристики линий связи. Пропускная способность канала. Способы передачи данных. Аналоговая модуляция. Дискретная (цифровая) модуляция. Способы цифрового кодирования данных. Логическое кодирование. Методы синхронизации. Методы обнаружения искажений информации. Импульсно – кодовая передача данных.
3. Импульсно-модулированные сигналы. Амплитудно-импульсная модуляция. Широтно-импульсная модуляция. Временная импульсная модуляция. Кодово-импульсная модуляция.
4. Модуляция символьных и кодовых данных. Амплитудно-манипулированные сигналы. Угловая манипуляция.
Литература.
ВВЕДЕНИЕ
Телекоммуникационные системы и системы сетевой связи начали широко развиваться в процессе информационно-технологической революции и компьютеризации всех сфер хозяйственной деятельности человечества. Их основная задача – объединение компьютеров и других устройств в сетевые ассоциации для коллективного использования вычислительных, информационных и других ресурсов.
По территориальной принадлежности различают локальные сети (предприятий и организаций), региональные (районы и города) и глобальные. В глобальных сетях выделяют сети доступа (соединяющие близко расположенные друг к другу узлы) и магистральные сети (объединяющие узлы друг с другом).
Любая работоспособная сеть включает в себя определенную сеть каналов связи (первичная сеть) и коммуникационное оборудование. Характерные понятия сети:
Протокол - набор правил взаимодействия, определяющих способ кодирования информации и передачи служебных данных.
Интерфейс - устройство для приема-передачи информации и набор методов взаимодействия приемо-передающих устройств, в том числе между программными компонентами.
Маршрутизация - определение маршрута передачи сообщения в сложных сетях.
К основным задачам формирования и обработки сигналов на этапе сетевой приемо-передачи можно отнести:
Кодирование – изменение формы представления информации с целью ее передачи, хранения или обработки.
Физическое кодирование – представление данных в виде изменений во времени какой-либо физической величины – напряжения, амплитуды или фазы гармонических колебаний.
Мультиплексирование – использование одного канала связи для передачи данных нескольких абонентов.
9.1. Основные сведения [50, 51]
Территориальная сеть связи (ТКС) – это географически распределенная сеть передачи данных (СПД), обеспечивающая оперативный и надежный обмен информацией между абонентами сети. Общепринятое название обменной информации - сообщение. Главные показатели эффективности ТКС - верность и время доставки информации. Они зависят от пропускной способности каналов связи, числа и способов соединения каналов связи между абонентами, протоколов информационного обмена, и ряда других факторов.
В ТКС используются телефонные, телеграфные, телевизионные, спутниковые сети связи. В качестве линий связи применяются кабельные линии связи (от простейших телефонных до специальных коаксиальных и волоконно-оптических), радиорелейные линии связи, и радиолинии. Среди кабельных линий связи наилучшие показатели имеют световоды. Они имеют высокую пропускную способность передачи данных (сотни мегабит в секунду), и нечувствительны к внешним электромагнитным полям при отсутствии собственных электромагнитных излучений.
Линия связи (line) в общем случае состоит из физической среды, по которой передаются электрические информационные сигналы, и аппаратуры передачи данных. Синонимом термина линия связи является термин канал связи (channel).
Физическая среда передачи данных обычно представлять собой кабель (набор проводников сигнала, изоляционных и защитных оболочек), земную атмосферу или космическое пространство (для электромагнитных волн), а также любую газовую, жидкостную или твердую среду для передачи акустических сигналов (в специальных технологиях, например, при передаче данных в скважинной геофизике).
В зависимости от среды передачи данных линии связи разделяются на проводные (воздушные), кабельные (в том числе волоконно-оптические) и радиоканалы наземной и спутниковой связи.
Проводные линии связи представляют собой открытые провода без изоляции и экранов. Они имеют низкую помехозащищенность и используются, в основном, для передачи телефонных и телеграфных сигналов.
Кабели представляют собой несколько проводников, заключенных в экранирующую и изолирующую оплетки. В компьютерных сетях применяются три типа кабелей: кабели на основе скрученных пар медных проводов, коаксиальные и волоконно-оптические кабели.
Радиоканалы имеют передатчики и приемники радиоволн, и отличаются друг от друга частотным диапазоном, который определяет дальность радиосвязи. Для компьютерной связи, как правило, используется диапазоны УКВ и СВЧ, но для организации каналов в этих диапазонах необходима прямая видимость между передатчиком и приемником, или ретрансляция.
Разновидности каналов связи. Выделяют три основных разновидности каналов связи:
Для повышения достоверности передачи данных основной канал может снабжаться дополнительным (обратным) каналом небольшой пропускной способности (на 1-2 порядка меньше основного, с неширокой подполосой), который используется для передачи служебной информации. По этому каналу передаются, например, сигналы подтверждения приема блоков данных и запросы на повторную передачу блоков при обнаружении ошибок.
Различают также выделенные (некоммутируемые) и коммутируемые на время передачи информации каналы связи. При использовании выделенных каналов связи приемопередающая аппаратура узлов связи постоянно соединена между собой. Этим обеспечивается высокая степень готовности системы к передаче информации, более высокое качество связи. Для коммутируемых каналов связи, создаваемых только на время передачи фиксированного объема информации, характерна сравнительно небольшая стоимость (при малом объеме трафика), однако при этом имеют место потери времени на коммутацию (на установление связи между абонентами) и блокировки при занятых участках линий связи.
Передача информации по каналам связи. В сетях ТКС информация передается в аналоговой форме. Это единственно возможный способ передачи информации по каналам связи. При передаче цифровых данных выполняется цифро-аналоговое и аналого-цифровое преобразование (ЦАП и АЦП) модемами на выходных и входных узлах связи. При восстановлении первоначального потока цифровых данных процесс АЦП включает в себя дискретизацию и квантование входного сигнала. Для безошибочной передачи цифровых данных работа принимающего модема должна быть синхронизирована с работой передающего. Для этого используются два вида передачи данных: асинхронная и синхронная.
Асинхронная передача реализуется по символьно - ориентированной схеме, при которой данные передаются посимвольно. Каждая передаваемая последовательность состоит из стартового бита, за которым следуют информационные символы, и завершается стоповым битом. Асинхронный режим передачи используется для низкоскоростных устройств и устройств, у которых отсутствует буфер.
Синхронная передача применяется для высокоскоростной передачи данных. При символьно - ориентированной синхронной передаче блоку передаваемых символов предшествует один или несколько синхронизирующих символов. При побитно - ориентированной синхронной передаче в передаваемый блок данных перед сообщением включается флаг - специальная битовая последовательность.
В зависимости от вида передачи данных используются соответственно синхронные и асинхронные модемы. Синхронная передача может проводиться только синхронными модемами, асинхронная может выполняться и с помощью синхронных модемов.
Иногда применяется гибридная схема передачи – изохронная. Как и при асинхронном режиме, каждый символ в ней сопровождается стартовым и стоповым битами, а работа передающего и приемного модемов синхронизируется с помощью интервалов между передаваемыми символами, кратными длительности передачи символов.
Пересылка данных в ТКС осуществляется последовательной передачей битов сообщения от источника к пункту назначения. Физически информационные биты передаются в виде модулированных или импульсно-кодовых электрических сигналов, которые зачастую называют цифровыми. Модулированные сигналы менее чувствительны к искажениям, обусловленным затуханием в передающей среде. Импульсно-кодовые сигналы могут иметь одно или конечный набор значений в пределах определенного тактового интервала. Как правило, для импульсно-кодовой передачи используется двухуровневый сигнал. Для импульсно-кодовых сигналов проще осуществляется кодирование и декодирование.
Системы телеобработки информации являются специализированными системами телекоммуникаций. Основная цель систем телеобработки данных (СТД) – обеспечить прием данных непосредственно с мест их получения и выдачу результатов обработки к местам использования. При этом отпадает необходимость в промежуточных носителях данных, повышается оперативность взаимодействия с ЭВМ, повышается скорость и общая эффективность работы системы, для которой производится обработка данных. Кроме того, телеобработка позволяет использовать мощные ЭВМ, на основе которых можно создавать большие базы данных. С помощью линий связи к таким ЭВМ может подключаться значительное число пользователей, что обеспечивает высокий уровень загрузки и использования ЭВМ во времени.
Для создания систем телеобработки необходимы следующие технические средства: 1) каналы связи, в том числе и аппаратура передачи данных: 2) устройства сопряжения ЭВМ с аппаратурой передачи данных; 3) абонентские пункты; 4) удаленные мультиплексоры передачи данных.
Значительная протяженность линий связи затрудняет возможность обмена отдельными сигналами между ЭВМ и оконечным оборудованием. Поэтому взаимодействие ЭВМ и оконечного оборудования организуется с помощью сообщений – блоков данных, передаваемых в виде единого целого. Сообщения имеют специальную структуру, обеспечивающую представление в них наряду с собственно данными служебной информации, необходимой для идентификации сообщения и защиты данных от искажений. Возможность взаимодействия абонентов с ЭВМ только посредством сообщений вносит определенную специфику в организацию программного обеспечения телеобработки.
9.2. КАНАЛЫ СВЯЗИ [50, 51]
Аппаратура линий связи. Формирование сигналов для передачи по линии связи осуществляется аппаратурой передачи данных (Data Circuit terminating Equipment). Примерами DCE являются модемы. Подготовка данных для передачи осуществляется оконечным оборудованием данных (Data Terminal Equipment). Для усиления сигнала, проходящего через линию, а также для организации совместного использования линий связи (мультиплексирования и коммутации) может использоваться дополнительное оборудование.
Хотя сами сигналы в линиях связи всегда являются непрерывными или кусочно-непрерывными, т.е. аналоговыми по физической форме своих материальных носителей, в зависимости от способа передачи данных линии связи делятся на цифровые и аналоговые. В цифровых линиях данные представляются сигналами, имеющими конечное число состояний, т.е. информация заключена в значениях сигнала в определенные моменты времени, причем сигнал может принимать конечное число значений. В аналоговых линиях используются сигналы с непрерывным диапазоном своих значений.
Как правило, при передаче данных в аналоговой форме сигналы имеют более узкий спектр, поэтому их используют в линиях связи с узкой полосой пропускания, например в телефонных сетях. Цифровые сигналы обеспечивают высокую скорость передачи данных, но имеют более широкий спектр.
Характеристики линий связи. Основные характеристики канала связи – пропускная способность и достоверность передачи данных. Пропускная способность канала (количество информации, передаваемое в единицу времени) оценивается предельным числом бит данных, передаваемых по каналу за единицу времени, и измеряется в бит/с. Достоверность передачи данных оценивается по интенсивности битовых ошибок (Bit Error Rate), определяемой как вероятность искажения передаваемого бита данных. Величина BER для каналов связи без дополнительной защиты от ошибок составляет 10-4 – 10-6. Основная причина искажений – воздействие помех на линию связи. Помехи, как правило, носят импульсный характер и имеют тенденцию к группированию – образованию пачек помех, искажающих сразу группу соседних бит в передаваемых данных.
Пропускная способность канала связи определяется полосой частот и помехоустойчивостью канала. Полоса частот, в которой амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) линии связи имеет значение не ниже заданного (например, по уровню 0.5) называется полосой пропускания. Полоса частот DF = fв-fн, где fн и fв – нижняя и верхняя границы частот, определяет диапазон частот, эффективно передаваемых по линии. Полоса частот зависит от типа линии и ее протяженности. Проводные линии связи имеют полосу частот примерно 10 кГц, кабельные – 100 кГц, коаксиальные – 100 МГц, радиорелейные – 1000 МГц, волоконно-оптические – 100 ГГц. Для передачи данных используется коротковолновая радиосвязь с диапазоном частот от 3 до 30 МГц. Для передачи данных на небольшие расстояния используются в основном низкочастотные проводные линии, на большие расстояния – высокочастотные линии: коаксиальные кабели, волоконно-оптические и радиорелейные линии. Радиосвязь применяется для организации как местной, так и дальней связи.
Помехоустойчивость линии зависит от мощности помех, создаваемых в линии внешней средой или возникающих из-за шумов в самой линии. Обычно для уменьшения помех проводники экранируют или скручивают. Наименее помехоустойчивыми являются радиолинии, хорошей помехоустойчивостью обладают кабельные линии, отличной – волоконно-оптические линии, не восприимчивые к электромагнитному излучению.
Пропускная способность канала зависит от ширины полосы частот линии связи и отношения мощностей сигнала и шума. Математически эта связь описывается формулами Шенона (9.2.1) и Найквиста (9.2.2). Максимальная пропускная способность канала, построенного на основе линии с полосой частот DF и отношением сигнал-шум Рс/Рш, составляет (бит в секунду):
Сmax = DF log2(1+ Рс/Рш). (9.2.1)
Значение (1+Рс/Рш) определяет число уровней сигнала, которое может быть воспринято приемником. Так, если отношение Рс/Рш>3, то единичный сигнал может переносить четыре значения, т. е. 2 бита информации.
С=F log2(M), (9.2.2)
где М – число различимых состояний сигнала.
Максимально возможная пропускная способность не зависит от способа физического кодирования, так как определяет возможности линии при гипотетическом наилучшем способе кодирования. Практическая пропускная способность канала существенно зависит от способа физического кодирования информации. Одна и та же линия связи может иметь разную пропускную способность при разных способах кодирования. При этом стремятся выбрать способ кодирования так, чтобы максимально использовать возможности линии. В свою очередь возможность применения на линии того или иного способа кодирования определяется полосой пропускания и затуханием сигнала. Затухание это отношение амплитуд входного и выходного сигналов на заданной частоте. Часто затухание выражается в децибелах и вычисляется по формуле A=20log10(Aвых/Aвх). Затухание всегда задается для определенной длины линии связи.
При передаче данных широко используются двоичные сигналы, принимающие значения 0 и 1. Минимальная длительность такта, с которой могут передавался сигналы по каналу с полосой частот DF, равна Tmin = 1/(2DF). Если вероятность искажения символов 0 и 1 из-за помех одинакова и равна p, то число двоичных символов, которые можно безошибочно передать по каналу в секунду:
C = 2DF[1 + p log2 p + (1-p) log2(1-p)]. (9.2.3)
Это выражение определяет пропускную способность двоичного канала. Величина в квадратных скобках определяет долю двоичных символов, которые передаются по каналу с частотой 2DF без искажений. Если помехи отсутствуют, вероятность искажения символа р=0 и пропускная способность C=2DF. Если вероятность искажения р=0,5, то пропускная способность С=0. Если по каналу передается сообщение длиной n двоичных символов, то вероятность появления в нем m ошибок P(n, m)=.
Наиболее распространенный тип канала – телефонный с полосой пропускания 3,1 кГц (диапазон частот 0,3-3,4 кГц). Коммутируемый телефонный канал обеспечивает скорость передачи данных С=1200 бит/с, некоммутируемый – до 9600 бит/с.
Эффективность использования канала связи для передачи данных принято характеризовать удельной пропускной способностью B=C/DF, т. е. пропускной способностью на 1 Гц полосы частот канала. Для коммутируемых телефонных каналов удельная пропускная способность не превышает 0,4 бит/(сЧГц), а для некоммутируемых составляет, как правило, 3–5 бит/(с ЧГц).
Стандартизированы следующие скорости передачи данных по каналам связи: 200, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 12000, 24000, 48000 и 96000 бит/с. Каналы с пропускной способностью до 300 бит/с называются низкоскоростными, от 600 до 4800 бит/с – среднескоростными, и с большей пропускной способность – высокоскоростными.
Пропускная способность зависит не только от физического кодирования, но и от предварительного логического кодирования, которое заключается в предварительной подготовке данных, влияющей на ширину спектра итогового сигнала.
Типы кабелей. В компьютерных сетях применяются кабели, соответствующие принятым стандартам. В настоящее время наиболее употребительным является международный ISO/IEC 11801. Наибольшее значение имеют следующие характеристики кабелей, требования к которым устанавливаются в стандартах:
Наиболее широкое применение находят следующие типы кабелей.
Неэкранированная витая пара UTP является наиболее употребительной в современных локальных сетях (наряду с тонким коаксиальным кабелем) и подразделяется по категориям. Кабели категории 3 имеют рабочий диапазон до 16 МГц и предназначены для передачи данных и голоса со скоростью передачи 10 Мбит/с. Кабели категории 4 являются некоторым улучшением категории 3 и имеют рабочий диапазон до 20 МГц. Кабели категории 5 - наиболее распространенный вид, ориентированный на высокоскоростные протоколы и имеющий рабочий диапазон 100 МГц. Кабели категорий 6 и 7 имеют рабочий диапазон 200 и 600 МГц и лучшие характеристики затухания и помехозащищенности, но используются редко из-за своей дороговизны. Волновое сопротивление кабелей витой пары составляет 100 Ом. Все кабели выпускаются в 4-парном исполнении, каждая из пар имеет свой цвет.
Экранированная витая пара STP имеет лучшие характеристики по сравнению с неэкранированной. Основным стандартом, определяющим параметры кабелей данного типа, является стандарт фирмы IBM, в котором кабели разделены на девять типов.
Коаксиальные кабели широко используются не только в компьютерных сетях, но и для передачи ВЧ телевизионных сигналов.
Кабель RG-8 и RG-11 – “толстый” коаксиальный кабель, имеет волновое сопротивление 50 Ом и внешний диаметр 0.5 дюйма. Это достаточно дорогой кабель с высокими характеристиками.
Кабели RG-58/U (сплошной тонкий проводник), RG-58 A/U (многожильный проводник) и RG-58 C/U – тонкий коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом. Кабель RG-59 с волновым сопротивлением 50 Ом для передачи телевизионных сигналов.
Волоконно-оптические кабели (ВОК) состоят из центрального проводника света (волокна), окруженного другим проводником – оболочкой. Оболочка обладает меньшим показателем преломления, чем сердцевина, поэтому излучение не выходит за пределы волокна.
Различают одномодовое волокно (дорогое, очень тонкого диаметра), с полосой пропускания сотни гигагерц, и многомодовое волокно, с более широким сердечником и меньшей полосой пропускания 500-800 МГц. В многомодовом волокне из-за относительно больших размеров электромагнитная волна высокой частоты может распространяться в нескольких режимах (модах), с разными скоростями, что приводит к невозможности передачи информации. Поэтому верхняя граничная частота такого волокна ограничена нижней частотой возникновения высших мод.
В качестве источников света в ВОК используют светодиоды и полупроводниковые лазеры. Для передачи информации используется свет с диной волны 1150 нм (лазеры), 1300 нм и 850 нм.
Способы передачи данных. Для передачи данных по каналам с различными характеристиками используются способы с максимальным использованием свойств каналов для повышения скорости и достоверности передачи данных.
Данные первоначально предоставляются последовательностью прямоугольных импульсов. Для их передачи без искажения требуется полоса частот от нуля до бесконечности. Реальные каналы имеют конечную полосу частот, с которой необходимо согласовать передаваемые сигналы. Согласование обеспечивается, во-первых, путем модуляции – переноса сигнала на заданную полосу частот и, во-вторых, путем кодирования – преобразовании данных в вид, позволяющий обнаруживать и исправлять ошибки, возникающие из-за помех в канале связи.
При использовании высокочастотных проводных и кабельных линий, полоса частот которых начинается примерно от нуля, сигналы можно передавать в их естественном виде – без модуляции (в первичной полосе частот). Каналы, работающие без модуляции, называются телеграфными и обеспечивают передачу данных со скоростью, как правило, 50-200 бит/с.
Когда канал имеет резко ограниченную полосу частот, как, например, радиоканал, передача сигналов должна выполняться в этой полосе и перенос сигнала в заданную полосу производится посредством модуляции. В этом случае между оконечным оборудованием данных, работающим с двоичными сигналами, и каналом устанавливается модем – модулятор и демодулятор. Модулятор перемещает спектр первичного сигнала в окрестность несущей частоты fo. Демодулятор выполняет над сигналом обратное преобразование, формируя из модулированного сигнала импульсный двоичный сигнал.
Способы модуляции подразделяются на аналоговые и дискретные.
Аналоговая модуляция применяется для передачи дискретных данных по каналам с узкой полосой частот, типичным представителем которых является канал тональной частоты телефонных сетей. Она является таким способом физического кодирования, при котором информация кодируется изменением амплитуды, частоты или фазы синусоидального сигнала несущей частоты.
Амплитудная модуляция (АМ) выполняется модуляцией амплитуды несущей частоты первичным сигналом. Амплитудную модуляцию кодовых последовательностей называют амплитудной манипуляцией (АМн). В зависимости от значения передаваемого двоичного элемента (бита) несущий сигнал может принимать одно из двух состояний: "включено" (наличие сигнала) – при передаче “1”, либо "выключено" (отсутствие сигнала) – при передаче “0”. Двоичную АМн называют on-off манипуляцией. В большинстве случаев амплитудную модуляцию объединяют с фазовой модуляцией (квадратурная модуляция), что повышает помехоустойчивость передачи данных и обеспечивает большую скорость передачи.
Частотная модуляция (ЧМ). При ЧМ под воздействием модулирующих сигналов (информационных битов) меняется только частота несущего колебания. В случае частотной манипуляции (ЧМн) несущая частота выбирается из дискретного набора значений в соответствии с передаваемым битом или битовой последовательностью. В общем случае, для ЧМн может использоваться М=2n частот, каждая из которых представляет соответствующую n-битную последовательность. Так, в двоичной ЧМн используются две несущих частоты f01 и f02, одна для двоичного нуля, другая – для двоичной единицы. Этот способ модуляции не требует сложных схем в модемах и обычно применяется в низкоскоростных модемах, работающих на скоростях 300 или 1200 бит/с. При квадратурной частотной манипуляции применяются четыре частоты для передачи битных последовательностей: 00, 01; 10; 11.
Фазовая модуляция (ФМ). При ФМ в соответствии с последовательностью передаваемых информационных бит, изменяется только фаза несущего синусоидального колебания f0. В случае фазовой манипуляции (ФМн) фаза несущей частоты может принимать одно из нескольких дискретных значений. В двоичной схеме ФМн (биты 0 и 1) значение фазы несущей может равняться либо 0о, либо 180о. В этом случае в одном периоде несущего сигнала передается один бит информации, а кодирование осуществляется со скоростью 1 бит/с/Гц. Для передачи двойных битов 00, 01, 10 и 11 в одном периоде сигнала используется квадратурная ФМн, при которой фаза может принимать одно из четырех значений соответственно: 45о, 135о, 225о, 315о или 0о, 90о, 180о, 270о. Скорость кодирования в этом случае будет равна 2 бит/с/Гц. В общем случае, если фаза несущего сигнала принимает одно из 2n значений, то в одном периоде сигнала передается log22n=n бит и скорость кодирования составит n бит/с/Гц.
При декодировании сигналов с ФМн фаза сигнала в приемнике должна сравниваться с фазой несущего колебания, что усложняет конструкцию устройства. В связи с этим на практике используется модифицированная форма фазовой манипуляции, которая называется относительной фазовой манипуляцией (ОФМн). При этом каждому информационному биту ставится в соответствие не абсолютное значение фазы, а ее изменение относительно предыдущего значения. Чаще применяется двукратная ОФМ (ДОФМ), основанная на передаче четырех сигналов, каждый из которых несет информацию о двух битах исходной двоичной последовательности.
В скоростных модемах используются комбинированные методы модуляции, как правило, амплитудная в сочетании с фазовой. Применяемые на практике коды имеют достаточно большое число состояний, например 4 различных уровня амплитуды в сочетании с восьмью возможными значениями сдвига фазы (квадратурная амплитудная модуляция). Часть из этих состояний являются запрещенными, и за счет этой избыточности реализуется коррекция ошибок.
Спектр модулированного сигнала расположен симметрично относительно несущей частоты и занимает ограниченную полосу. Поэтому данный вид модуляции используется в линиях связи с частотным уплотнением, когда по линии одновременно передаются несколько сигналов, занимающих различные полосы. Примером таких сетей являются телефонные сети, в которых абоненту выделяется узкополосный канал, достаточный для передачи голоса с приемлемым качеством, и каждая пара абонентов работает только на своей частоте.
Дискретная (цифровая) модуляция применяются для преобразования аналоговых сигналов, например речевых, в цифровые. Для этих целей наиболее широко используются амплитудно-импульсная, кодово-импульсная и время-импульсная модуляция.
Кодирование передаваемых данных производится в основном для повышения помехоустойчивости данных. Так, первичные коды символов могут быть представлены в помехозащищенной форме – с использованием кодов Хемминга, обеспечивающих обнаружение и исправление ошибок в передаваемых данных. В последнее время функция повышения достоверности передаваемых данных возлагается на оконечное оборудование данных и обеспечивается за счет введения информационной избыточности в передаваемые сообщения.
При цифровом кодировании дискретной информации применяют потенциальные и импульсные коды. В потенциальных кодах для представления логических единиц и нулей используется только значение потенциала сигнала. Импульсные коды позволяют представить двоичные данные либо импульсами определенной полярности, либо перепадом потенциала определенного направления.
При выборе метода цифрового кодирования к нему предъявляют следующие требования:
- наименьшая ширина спектра результирующего сигнала при той же скорости передачи;
- возможность синхронизации между передатчиком и приемником;
- возможность распознавания ошибок.
Более узкий спектр сигналов позволяет добиваться более высокой скорости передачи данных. Кроме того, часто к спектру сигнала предъявляется требование отсутствия постоянной составляющей.
Синхронизация передатчика и приемника нужна для того, чтобы приемник точно знал, в какой момент времени необходимо считывать новую информацию с линии связи. Как правило, в сетях применяются так называемые самосинхронизирующиеся коды, сигналы которых позволяют передатчику автоматически определять тактовую частоту передачи информационных битов (например, по резким перепадам сигналов).
Распознавание и коррекция ошибок, как правило, реализуется средствами логического кодирования, но иногда для этого используется и избыточность физических кодов.
Способы цифрового кодирования данных. В современных системах передачи данных синхронизация передатчика и приемника достигается за счет использования самосинхронизирующих кодов. Каждый переход уровня сигнала от высокого к низкому уровню или наоборот используется для подстройки приемника. Лучшими считаются такие, которые обеспечивают переход уровня сигнала не менее одного раза в течение интервала времени на приеме одного информационного бита. Наиболее распространенными являются следующие коды:
Потенциальный код без возвращения к нулю (NRZ - Non Return to Zero) – 0 и 1 кодируются различными уровнями сигнала. Это наиболее простой способ кодирования, но имеет постоянную составляющую в спектре. При передаче длинных серий одноименных битов (единиц или нулей) уровень сигнала остается неизменным для каждой серии, что существенно снижает качество синхронизации и надежность распознавания принимаемых битов
Потенциальный код с возвращением к нулю (RZ - Return to Zero) – код, аналогичный NRZ, с возвращением к нулю на середине каждого тактового интервала. Имеет большее число переходов уровня сигнала, чем сигнал в соответствующем коде NRZ.
Биполярное кодирование с альтернативной инверсией (AMI) – 0 кодируется нулевым потенциалом, а 1 – положительным или отрицательным ненулевым, причем потенциал каждой следующей единицы противоположен по знаку предыдущей. Спектр кода не содержит постоянной составляющей. Используется три уровня сигналов, что требует увеличения мощности передатчика. Обладает хорошими синхронизирующими свойствами при передаче серий единиц и сравнительно прост в реализации. Недостатком кода является ограничение на плотность нулей в потоке данных, поскольку длинные последовательности нулей ведут к потере синхронизации.
Для улучшения кодов AMI можно применять предварительное “перемешивании” исходной информации так, чтобы в передаваемой последовательности появление нулей и единиц было равновероятно. Такой метод называется скрэмблированием, а выполняющие его устройства - скрэмблерами.
Биполярный импульсный код – кодирование производится импульсами положительной и отрицательной полярности, длительность которых равна половине длительности передачи бита. В этом коде также может присутствовать постоянная составляющая, и он имеет более широкий спектр, чем потенциальные коды (так как выше частота сигнала, передающего последовательность нулей и единиц).
Манчестерский код (PE - Phase Encode, фазовое кодирование) – наиболее популярный код, применяемый в локальных сетях. При манчестерском кодировании информация передается перепадами потенциала, происходящими в середине такта. Единица кодируется перепадом от низкого уровня к высокому, а ноль наоборот. В начале каждого такта может происходить, а может и не происходить служебный перепад (он происходит, если в предыдущем такте передаваемый бит имел то же значение, что и в текущем.). Манчестерский код обеспечивает изменение уровня сигнала при представлении каждого бита, а при передаче серий одноименных битов – двойное изменение. Обладает наилучшими синхронизирующими свойствами. Манчестерский код имеет более узкую полосу, чем биполярный импульсный и не имеет постоянной составляющей в спектре.
Логическое кодирование - это предварительное изменение передаваемой информации с целью сделать ее более удобной для передачи. Например, путем логического кодирования избавляются от длинных последовательностей нулей и единиц.
Избыточное кодирование – вариант логического кодирования, при котором к передаваемой информации добавляется дополнительная. При этом передаваемая последовательность бит разбивается на порции, называемые символами. Затем каждый символ заменяется на новый, имеющий большее количество бит, чем исходный. Например, логический код 4В/5В заменяет исходные символы длиной 4 бита на символы длиной 5 бит. При этом возникает 16 запрещенных символов, прием которых свидетельствует об ошибке связи.
При избыточном кодировании передатчик должен работать с повышенной частотой, но это оправдывается тем, что спектр потенциального кода с избыточностью не имеет постоянной составляющей, уже, чем у манчестерского кода, и имеет возможность исправления ошибок передачи.
Методы синхронизации. Применение самосинхронизирующихся кодов обеспечивает побитовую синхронизацию, но для обнаружения начала и окончания потока бит и его разделения на байты (побайтовой синхронизации) необходимы специальные методы.
В асинхронных протоколах каждый байт (или большая группа бит фиксированной длины) предваряются специальным набором старт-бит и завершаются стоп-битами. Этот протокол используется для низкоскоростного взаимодействия с периферийными устройствами.
В синхронных протоколах данные передаются относительно большими блоками произвольной длины (кадрами). Для возможности обнаружения факта передачи и побитовой синхронизации кадр предваряется преамбулой - фиксированной последовательностью бит. После преамбулы начало и конец кадра обозначаются стартовыми и стоповыми ограничителями (флагами). Для того чтобы при возникновении внутри поля данных последовательности бит, совпадающей со стоповым ограничителем, не нарушался порядок приема кадра, существуют специальные методы.
Первый из них основан на бит-стаффинге, то есть вставке дополнительных бит, предотвращающих появление закрывающего флага внутри поля данных. Например, если закрывающий флаг представляет собой 6 единиц, то после каждых пяти единиц вставляется ноль. На приемнике любой ноль после пяти единиц изымается из принятой последовательности.
Второй способ основан на передаче в заголовке кадра (имеющего фиксированную длину) сведений о длине поля данных.
Третий способ основан на применении в ограничителях кадра запрещенных кодов физического уровня (например, в манчестерском коде используются два запрещенных состояния, когда уровень сигнала в середине такта остается неизменно низким, или неизменно высоким).
Методы обнаружения искажений информации основаны на передаче в составе кадра избыточной информации, по которой можно судить о достоверности принятых данных. Эту служебную информацию называют последовательностью контроля кадра – Frame Check Sequence (FCS). Она вычисляется как функция от основной информации. Принимающая сторона заново вычисляет эту функцию, и совпадение результатов считается критерием правильности приема.
Метод контроля по паритету заключается в том, что к блоку информации добавляется один бит – 1, если число единиц в блоке нечетное, и 0, если четное. Он позволяет обнаруживать только нечетное число ошибок при передаче и обладает большой избыточностью.
В методе циклического избыточного контроля (CRC) в качестве контрольной информации используется остаток от деления двоичного числа, которое представляют собой исходные данные, на известный делитель. Как правило, делитель выбирается таким, чтобы остаток составлял 2 или 4 байта. При приеме остаток прибавляется к принятым данным и полученное число делится на тот же делитель. Равенство итогового остатка нулю свидетельствует о правильности приема.
Восстановление потерянных кадров проводится путем их повторной передачи. При передаче с установлением логического соединения каждый блок данных нумеруется и для подтверждения его получения приемник посылает передатчику специальный блок данных - положительную или отрицательную квитанцию. Если передатчик не дождался квитанции в течение определенного времени или получил отрицательную квитанцию, он проводит повторную передачу.
Импульсно – кодовая передача данных выполняется напрямую без модуляции, в первичной полосе частот, путем изменения уровней сигналов, несущих информацию, с определенной тактовой частотой. Например, если в ЭВМ цифровые данные представляются сигналами уровней 5 вольт - для кода “1” и 0,2 вольта - для кода “0”, то при передаче этих данных в линию связи уровни сигналов преобразуются соответственно, например, в +12 и в -12 вольт на одном тактовом интервале. Такое кодирование осуществляется, в частности, с помощью асинхронных последовательных адаптеров RS-232-C при передаче цифровых данных от одного компьютера к другому на небольшие расстояния. Импульсно-кодовая передача является узкополосной, тактовая частота является, по существу, несущей частотой передачи.
9.3. импульсно – модулированные сигналы.
В импульсной модуляции в качестве носителя модулированных сигналов используются последовательности импульсов, как правило – прямоугольных. В беспроводных системах передачи данных (в радиосвязи) эти последовательности заполняются высокочастотными колебаниями, создавая тем самым двойную модуляцию. Как правило, эти виды модуляции применяются при передаче дискретизированных данных. Для прямоугольных импульсов наиболее широко используются амплитудно-импульсная (АИМ) и широтно-импульсная (ШИМ) модуляция.
Амплитудно-импульсная модуляция (АИМ) заключается в изменении приращения амплитуды импульсов пропорционально функции управляющего сигнала при постоянной длительности импульсов и периоде их следования:
U(t) = Uo + k·s(t), tи = const, T = const. (9.3.1)
Спектр АИМ рассмотрим на примере модулирования однотонального сигнала s(t), приведенного на рис. 9.3.1. Напишем уравнение модулированного сигнала в следующей форме:
u(t) = (1+M cos Wt)·f(t), (9.3.2)
где f(t) – периодическая последовательность прямоугольных импульсов с частотой wo, которую можно аппроксимировать рядом Фурье (без учета фазы):
f(t) = Uo +
Un cos nwot. (9.3.3)
Подставляя (9.3.3) в (9.3.2), получаем:
u(t) = (1+M cos Wt)Uo+Un cos nwot ·(1+M cos Wt)
u(t) = Uo + UoM cos Wt +Un cos nwot +
+ 0.5MUn cos (nwo+W)t + 0.5MUn cos (nwo-W)t. (9.3.2)
Форма спектра, в начальной части спектрального диапазона, приведена на рис. 9.3.1. В целом, спектр бесконечен, что определяется бесконечностью спектра прямоугольных импульсов. Около каждой гармоники nwo спектра прямоугольных импульсов появляются боковые составляющие nwo± W, соответствующие спектру моделирующей функции (при многотональном сигнале – боковые полосы спектров). При дополнительном высокочастотном заполнении импульсов весь спектр смещается в область высоких частот на частоту заполнения.
Рис. 9.3.1.
Широтно-импульсная модуляция (ШИМ, в английской терминологии pulse width modulation, PWM), которую иногда называют модуляцией по длительности импульсов (ДИМ), заключается в управлении длительностью импульсов пропорционально функции управляющего сигнала при постоянной амплитуде импульсов и периоде следования по фронту импульсов:
t
(t) = to + k·s(t), U = const, T = const. (9.3.3)Рассмотрим выполнение ШИМ в простейшем варианте на примере гармонического колебания, приведенного на рис. 9.3.2.
Рис. 9.3.2. Широтно-импульсная модуляция.
Передаваемая кривая дискретизируется, при этом имеет значение, как интервал дискретизации, так и количество уровней квантования. При передаче данных прямоугольные импульсы начинаются в моменты дискретных отсчетов данных, а длительность импульсов устанавливается пропорциональной значению отсчетов, при этом максимальная длительность импульсов не должна превышать интервала дискретизации данных. Пример сформированных импульсов приведен на рис. 9.3.2 непосредственно под дискретизированной гармоникой, при этом число уровней квантования гармоники принято равным 8.
Рис. 9.3.3. Спектр ШИМ – сигнала. Рис. 9.3.4. Восстановленный сигнал.
На рис. 9.3.3 приведен спектр сформированного сигнала ШИМ. В начальной части спектра он содержит постоянную составляющую среднего уровня сигнала и пик частоты гармоники, закодированной в ШИМ – сигнале. Если выделить из спектра эти две составляющие, то восстанавливается исходный сигнал с погрешностью квантования, приведенный на рис. 9.3.4. Естественно, что при малом числе уровней квантования погрешность восстановления исходного гармонического сигнала очень велика.
Попутно заметим, что широтно-импульсная модуляция с последующим выделением постоянной составляющей может весьма эффективно использоваться (и используется) для слежения за средним уровнем сигнала и автоматического регулирования его динамического диапазона, как, например, в системах установки громкости звука и яркости цветов и изображения в целом в современных телевизионных установках.
Временная импульсная модуляция (ВИМ) представляет собой девиацию импульсов по временной оси по закону модулирующего сигнала, и по существу аналогична угловой модуляции гармонической несущей. Она также может быть фазовой (ФИМ) или частотной (ЧИМ).
Кодово-импульсная модуляция заключается в том, что в точках дискретизации модулирующего сигнала производится квантование его значений и кодирование квантованных значений, как правило, в двоичной системе исчисления. Кодированные значения затем передаются при помощи соответствующей кодовой последовательности стандартных символов.
9.4. Модуляция символьных и кодовых данных [25].
В настоящее время информация передается по каналам связи в основном в цифровой форме. Числа при передаче с периодом Т поступают от источника информации и называются символами (symbol), а частота передачи символов – символьной скоростью (symbol rate) fT=1/T. В практике передачи данных распространена двоичная (binary) последовательность символов, где числа передаются значениями 0 и 1.
Символьные последовательности являются дискретными квантованными сигналами, которые обычно передаются следующим образом. Каждому из возможных символов устанавливается определенный набор параметров несущего колебания, которые поддерживаются постоянными на интервале Т до прихода следующего символа. Это означает преобразование последовательности чисел в ступенчатый сигнал (кусочно-постоянная интерполяция) который используется в качестве модулирующего сигнала. Соответственно, параметры несущего колебания, на которые переносится ступенчатый сигнал, также меняются скачкообразно. Такой способ модуляции несущей называется манипуляцией (keying), и может выполняться с использованием всех рассмотренных методов модулирования.
Амплитудно-манипулированные сигналы простейшего типа представляют собой последовательности радиоимпульсов, разделенные паузами. Такие сигналы используются в радиотелеграфии и в системах передачи дискретных данных. Форма огибающей радиоимпульсов в общем случае может быть произвольной, паузы могут отличаться по длительности от радиоимпульсов.
На рис. 9.4.1. приведен пример амплитудно-манипулированного сигнала:
u(t) = UmЧ cos 2pfot,
Рис. 9.4.1. АМП-сигнал. Рис. 9.4.2. Модуль спектра АМП-сигнала.
с прямоугольной П-формой огибающей. Соответственно, в частотной области спектр АМП – сигнала образуется сверткой спектра огибающей функции (в данном случае – спектра прямоугольного импульса) со спектром косинусного колебания (дельта - функции на частоте fo). Модуль спектральной плотности сигнала приведен на рис. 9.4.2. Спектр прямоугольного импульса довольно слабо затухает и простирается неограниченно далеко, а поэтому его использование в качестве огибающей АМП - сигнала не рекомендуется, хотя и является наиболее простым по техническому исполнению.
Рис. 9.4.3. Рис. 9.4.4.
На рис. 9.4.3. приведен пример формы классического АМП сигнала при передаче нескольких символов, каждому из которых соответствует индивидуальная амплитуда несущей частоты при постоянной длительности интервалов посылки. Модуль спектра сигнала приведен на рис. 9.4.4 и тоже имеет достаточно большую ширину значимой части спектра вокруг несущей частоты.
Естественно, что при передаче данных частотный диапазон канала передачи данных ограничивается значимой частью спектра, ширина которого устанавливается по допустимой степени искажения приемных сигналов. Степень искажения сигналов существенно зависит от длительности посылок. Пример искажения вышеприведенного сигнала при ограничении спектра интервалом 40-60 кГц приведен на рис. 9.4.5.
Угловая манипуляция, как правило, использует частотные методы модулирования, в которых каждому возможному значению передаваемого символа сопоставляется индивидуальное значение частоты гармонической несущей. При этом в точках сопряжения интервалов посылок могут происходить скачки напряжения, с соответствующим усложнением спектра модулированного сигнала. Самый простой способ – синусоидальное начало несущей на каждом интервале с кратным количеством периодов несущей в посылке. При более сложных способах, независимых от точного сопряжения несущих частот с интервалами посылок, осуществляется управление скоростью изменения фазы несущих на границах посылок.
Демодуляция сигналов осуществляется корреляционными методами. Сущность методов – вычисление взаимной корреляции между принимаемым сигналом и набором опорных частот, используемых при модулировании, с идентификацией символов по максимумам взаимной корреляции.
Для повышения помехоустойчивости передачи данных желательно, чтобы разносимвольные посылки были некоррелированны. Если для бинарных символов 0 и 1 принять частоты посылок равными
s0(t) = cos wo(t), s1(t) = cos w1(t),
то их ВКФ при нулевом временном сдвиге определится выражением:
B01(0) =
s0(t) s1(t) dt = Ѕ (sin (ω1+ωo)T)/(ω1+ωo) + Ѕ (sin (ω1-ωo)T)/(ω1-ωo).
При (ω1+ωo)T >> 1 первым слагаемым можно пренебречь, оно много меньше второго. А второе слагаемое обращается в нуль при (ω1+ωo)T = πk, где k = 1, 2, ... – целое число. Отсюда, минимальное значение между частотами манипуляции для некоррелированных посылок определяется выражениями:
Dω
min = p/T, Dfmin = 1/2T = fT/2,где fT – символьная скорость.
Фазовая манипуляция применяется значительно реже, в связи со значительными сложностями измерения абсолютных значений начальных фаз в посылках. Проще определяется относительный фазовый сдвиг в соседних посылках, поэтому обычно используется фазоразностная манипуляция.
литература
50. Чертков. Основные сведения о телекоммуникационных системах. Лекция из Интернета. Чертков. Телекоммуникации, связь .htm
51. Ташкентский Университет Информационных Технологий. Радиорелейные и спутниковые системы передачи. Кафедра РРТ. Ташкент, 2003 год. http://ralex.h1.ru/contents.html
25. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. – СПб.: Питер, 2003. – 608 с.
Copyright ©2007 Davydov А.V.
|
|
 |
