КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ

1. Александр Масальскихrusalmas@gmail.com КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ Лекция №4 Технологии физического уровня. Линии связи. Кабели связи. Модуляция. Физическое кодирование. Санкт-Петербург, 2012

2. Теоретические основы передачи данных. Ряды Фурье • Любая периодическая функция g(t) с периодом T может быть разложена в ряд (возможно, бесконечный) вида: • F=1/T (основная частота), an bn – амплитуды синусов и косинусов n-й гармоники, c = const. • Если известны период T и амплитуды гармоник, может быть восстановлена исходная функция.

3. Сигналы с ограниченным спектром • Пусть требуется передать 8 битный сигнал 01100010.

4. Сигналы с ограниченным спектром

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

6. Сигналы с ограниченным спектром

7. Максимальная скорость передачи через канал • В 1924 году Х. Найквист пришёл к выводу, что существует предельная скорость передачи даже для идеальных каналов. • В 1948 году Шеннон (а в 1933 В.А. Котельников) доказали теорему для канала со случайным шумом. • Если есть фильтрс полосой пропускания H, то отфильтрованный сигнал может быть восстановлен по дискретным значениям его, измеренным с частотой 2H в секунду. • Speed = 2H log2V, где V – дискретные уровни. • Бесшумный канал 3000Гц – 6000Кбит/c.

8. Максимальная скорость передачи через канал.Сигнал/шум • Если мощность сигнала S, мощность шума N, соотношение сигнал шум S/N • 10 lg S/N децибел. dB. дБ. • Maxsped = H log 2 (1+ S/N) • Если частота пропускания 3000 Гц и отношение сигнал шум 30дБ, максимальная скорость 30000 бит/c независимо от способа модуляции, частоты дискретизации и т.д.

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

10. Электромагнитный спектр

11. Беспроводная связь • Микроволновая связь • Инфракрасные и миллиметровые волны • Связь в видимом диапазоне • Спутники связи • 802.11 • 802.16

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

13. Модуляция • Модуляция изначально применялась для аналогового сигнала – передача низкочастотного аналогового сигнала через высокочастотный канал.

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

15. Модуляция

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

17. QAM с 16 состояниями

18. Спектры сигналов при потенциальном кодировании и ASK

19. О дискретизации аналоговых сигналов • Дискретизация по времени • Дискретизация по значениям • АЦП и ЦАП • Импульсно-кодовая модуляция (PCM) • 7 или 8 бит для представления амплитуды (127 градаций или 256) • 56 Кбит/c и 64 Кбит/c

20. Кодирование • При выборе кодирования стремятся достичь следующих целей: • Минимизировать ширину спектра сигнала • Обеспечить синхронизацию между приемником и передатчиком • Обеспечивать устойчивость к шумам • Обнаруживать и по возможности, исправлять ошибки • Минимизировать мощность передатчика

21. Кодирование • При выборе кодирования стремятся достичь следующих целей: • Минимизировать ширину спектра сигнала • Обеспечить синхронизацию между приемником и передатчиком • Обеспечивать устойчивость к шумам • Обнаруживать и по возможности, исправлять ошибки • Минимизировать мощность передатчика

22. Синхронизация тактовыми импульсами

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

24. Кодирование

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

26. Код AMI • Биполярное кодирование с альтернативной инверсией (AMI). • Три уровня потенциала. 0 = 0 1 = + или – (потенциал каждой новой 1 противоположен предыдущему) • Достоинства: • Простой • Спектр зачастую уже чему NRZ (N/4 при 0101010) • Есть распознаваемость ошибок • Решает проблему NRZ с последовательностью 1 • Недостатки • Последовательности 0 так же проблематичны • 3 уровня потенциала – нужен мощнее передатчик

27. Биполярный импульсный код • Единица представлена импульсом одной полярности, ноль – другой. • Достоинства: • Простой • Самосинхронизация • Недостатки • Широкий спектр (при постоянном 0 или 1 спектр равен N Гц) • Есть постоянная составляющая • 3 уровня

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

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

30. Потенциальный код 2B1Q • Каждый 2 бита кодируются за 1 такт сигналом, имеющим 4 состояния. • Пары 00 01 11 10 (-2.5 -0.833 +0.833 +2.5) • Достоинства • При случайном чередовании битов спектр в 2 раза уже чем у NRZ • Скорость в 2 раза выше чем у AMI и NRZI • Недостатки • Высокая мощность передатчика • Требуется бороться с длинными постоянными последовательностями

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

32. Избыточный код 4B/5B

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

34. B8ZS и HDB3

35. Спектры потенциальных и импульсных кодов