Кодирование и полоса пропускания: 2B1Q, Манчестер

Кодирование и полоса пропускания: 2B1Q, Манчестер

B1Q

Потенциальный код 2B1Q передает пару бит за один битовый интервал. Каждой возможной паре в соответствие ставится свой уровень из четырех возможных уровней потенциала.

Достоинство метода 2B1Q

Сигнальная скорость у этого метода в два раза ниже, чем у кодов NRZ и AMI, а спектр сигнала в два раза уже. Следовательно, с помощью 2B1Q-кода можно по одной и той же линии передавать данные в два раза быстрее.

Недостаток метода 2B1Q

Реализация этого метода требует более мощного передатчика и более сложного приемника, который должен различать четыре уровня.

При этом способе кодирования требуются дополнительные меры по борьбе с длинными последовательностями одинаковых пар бит, так как при этом сигнал превращается в постоянную составляющую. При случайном чередовании бит спектр сигнала в два раза уже, чем у кода NRZ, так как при той же битовой скорости длительность такта увеличивается в два раза. Таким образом, с помощью кода 2B1Q можно по одной и той же линии передавать данные в два раза быстрее, чем с помощью кода AMI или NRZI. Однако для его реализации мощность передатчика должна быть выше, чтобы четыре уровня четко различались приемником на фоне помех.

Манчестер.

При манчестерском кодировании каждый такт делится на две части. Информация кодируется перепадами потенциала в середине каждого такта. Единица кодируется перепадом от низкого уровня сигнала к высокому, а ноль — обратным перепадом (по стандарту IEEE 802.3, хотя по Д. Е. Томасу кодирование происходит наоборот). В начале каждого такта может происходить служебный перепад сигнала, если нужно представить несколько единиц или нулей подряд. Так как сигнал изменяется по крайней мере один раз за такт передачи одного бита данных, то манчестерский код обладает хорошими самосинхронизирующими свойствами. У манчестерского кода нет постоянной составляющей (меняется каждый такт), а основная гармоника в худшем случае (при передаче последовательности единиц или нулей) имеет частоту N Гц, а в лучшем случае (при передаче чередующихся единиц и нулей) — N/2 Гц, как и у NRZ. В среднем ширина спектра при манчестерском кодировании в два раза шире чем при NRZ кодировании.

Является самосинхронизирующимся, то есть не требует специальной кодировки синхроимпульса, который бы занимал полосу данных и поэтому является самым плотным кодом на единицу частоты. Логическому нулю соответствует положительный переход в центре бита, то есть первая половина битового интервала — низкий уровень, вторая половина — высокий (стандарт по Д. Е. Томасу). Логической единице соответствует отрицательный переход в центре бита. (Возможна и обратная реализация (стандарт IEEE 802.3), обычно в приёмнике это проверяется вначале передачи. «Обратная реализация может возникнуть например в трансформаторе, если перепутать направление обмоток»).

Обязательное наличие перехода в центре бита позволяет легко выделить синхросигнал. Допустимое расхождение частот передачи — до 25 % (это означает, что код Манчестер-2 — самый устойчивый к рассинхронизации, он самосинхронизуется в каждом бите передаваемой информации).

Плотность кода 1 бит/герц. В спектре сигнала, закодированного Манчестером-2, присутствует 2 частоты — частота передачи и половинная частота передачи (она образуется когда рядом стоят 0 и 1 или 1 и 0. При передаче гипотетической последовательности одних 0 или 1 в спектре будет присутствовать только частота передачи). Важным достоинством манчестерского кода является возможность обеспечить гальваническую развязку с помощью трансформатора, так как у него отсутствует постоянная составляющая. Вторым важным преимуществом является отсутствие необходимости в синхронизующих битах (как в NRZ-коде) и, вследствие этого, данные могут передаваться подряд сколь угодно долго, из-за чего плотность данных в общем потоке кода приближается к 100 % (например для кода NRZ 1-8-0 она равна 80 %).

2. Теоретические основы физического уровня передачи информации (спектр сигнала)

Основы передачи данных a)Все виды информации могут быть представлены в виде электромагнитных сигналов (ЭМС) аналоговых или цифровых b)Любой ЭМС имеет спектр (ширина, частотный диапазон, форма спектра)

Ширина спектра сигнала: Чем меньше высокочастотных составляющих в сигнале, тем уже ширина полосы пропускания может быть при передаче. Важным также является отсутствие постоянной составляющей, т.е. гармоники с постоянными не меняющимися параметрами, что приводит к наличию постоянного тока между приемником и передатчиком, что крайне нежелательно. Наконец, как мы уже отмечали, ширина спектра влияет на искажение формы сигнала. Чем шире спектр, тем сильнее искажения.

Максимальную скорость, с которой канал способен передавать данные, называют пропускной способностью канала или битовой скоростью.

В 1924 Найквист открыл взаимосвязь между пропускной способности канала и шириной его полосы пропускания.

Теорема Найквиста

Vmax data rate = 2H log2M бит/сек ,

Где Vmax data rate – максимальная скорость передачи H – ширина полосы пропускания канала, выраженная в Гц, М - количество уровней сигнал, используемых при передече. Например, из этой формулы следует, что канал с полосой 3КГц не может передавать двухуровневые сигналы быстрее 6000 бит/сек.

Коммутируемые сети Ethernet

При добавлении станций к Ethernet трафик сначала будет расти. Наконец, локальная сеть насытится и производительность начнет падать. Одним из решений в данном случае является увеличение скорости передачи данных — например, переход с 10 Мбит/с на 100 Мбит/с. Однако доля мультимедийных данных в общем потоке становится все заметнее, и даже 100-мегабитные и гигабитные версии Ethernet могут перестать справляться со своей задачей.

К счастью, возможно не столь радикальное решение, а именно, коммутированная локальная сеть Ethernet. Сердцем системы является коммутатор, содержащий высокоскоростную плату, в слоты которой обычно вставляются от 4 до 32 контроллеров линий. Чаще всего к разъему подключается витая пара, соединяющая коммутатор с единственным хостом.

Когда станция хочет передать кадр Ethernet, она посылает стандартный кадр в коммутатор. Плата в коммутаторе, получив кадр, проверяет, не адресован ли этот кадр станции, подсоединенной к той же плате. Если да, то кадр пересылается ей. В противном случае кадр пересылается по объединительной плате карте, к которой подключена станция-получатель. Объединительная плата обычно работает на скорости в несколько гигабит в секунду с использованием собственного протокола.

ADSL, особенности реализации

Технология ADSL

Ассиметричная DSL (Asymmetric DSL) – дальнейшее развитие технологии HDSL – в настоящее время является наиболее продвинутой в семействе хDSL. Она обеспечивает передачу по витой паре потоков до 9 Мбит/с в одном направлении (как правило, в сторону пользователя ) и до 640 кбит/с – в другом. По широкому входящему каналу абонент получает данные из Интернет или видео, а исходящий используется для отправки запросов на получение информации. Следует отметить, что пропускной способности исходящего канала достаточно для передачи электронной почты, файлов и для проведения голосовых переговоров через Интернет. ADSL ориентирована на абонентов индивидуального сектора и, благодаря применению внутренних или внешних речевых разделителей, позволяет вести обычные телефонные переговоры.

Указанные выше предельные скорости передачи в прямом и обратном направлении могут быть снижены в зависимости от конкретного типа оборудования, кабеля и требуемой протяженности абонентской линии. Оборудование ADSL способно автоматически или принудительно конфигурироваться, чтобы на конкретной абонентской линии достичь максимальной скорости передачи с минимальным коэффициентом ошибок.

В ADSL используют усовершенствованный вариант частотной модуляции, позволяющей максимально использовать полосу в 1 МГц, обеспечиваемую витой парой. Максимальное расстояние передачи без повторителей 5.5 км.

Обнаружение коллизий

Методы обнаружения коллизий зависят от используемого оборудования, но на электрических шинах, таких как Ethernet, коллизии могут быть обнаружены сравнением передаваемой и получаемой информации. Если она различается, то другая передача накладывается на текущую (возникла коллизия) и передача прерывается немедленно. Посылается сигнал преднамеренной помехи, что вызывает задержку передачи всех передатчиков на произвольный интервал времени, снижая вероятность коллизии во время повторной попытки.

Ethernet: Стандарт 10Base X

· 10Base5 – IEEE 802.3 («Толстый Ethernet») – коаксиал с волновым сопротивлением 50 Ом (кабель RG-8) с максимальной длиной сегмента 500 метров. Подключается к оконечным устройствам «Зубом Вампира». На концах должны быть терминаторы в 50 Ом. Пятёрка на конце означает толщину кабеля (0.5 дюйма).

· 10Base2 – IEEE 802.3a («Тонкий Ethernet») – коаксиал RG-58, максимальная длина сегмента 185 метров. Подключается к оконечным устройствам при помощи Т-образного разъёма. На концах требуются терминаторы в 50 Ом. Двойка на конце означает толщину кабеля (0.2 дюйма).

· 10Base-T – IEEE 802.3i. Для передачи используются 4 витые пары категории 3 и выше.

· 10Base-F – IEEE 802.3j. Семейство оптоволоконных стандартов, из которых широкое распространение получил только 10Base-FL, где длина сегмента может достигать 2000 метров. Волокно мультимодовое.

BASE означает узкополосную передачу (baseband), то есть подчёркивает, что в данных стандартах не используется мультиплексирование.

Частота несущей – 10МГц, так как применяется Манчестерское кодирование.

Ethernet: стандарт 100Base X

· 100Base-T – IEEE 802.3u. Семейство стандартов 100-мегабитного Ethernet на витой паре. Распространение получил только стандарт 100Base-TX, реализующий передачу по 2 витым парам категории 5, кодирование 4B5B вместе с MLT-3, полный дуплекс. Частота несущей сигнала 31.25 МГц.

· 100Base-FX – IEEE 802.3u. Используются 2 линии многомодового волокна. В полудуплексном режиме дальность ограничена 412 метрами (чтобы можно было обнаружить коллизию), либо 2000 метров в полнодуплексном режиме. Кодирование 4B5B с NRZI.

Стандарт IEEE 802.11a,b,g

802.11a – скорость передачи 54 Мбит/с, рабочий диапазон — 5ГГц. Использует OFDM – мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов.

802.11b – скорость 11 Мбит/с, диапазон частот 2.4 ГГц. Использует DSSS – метод прямой последовательности для расширения спектра.

802.11g – скорость 54 Мбит/с на частоте 2.4ГГц. Гарантирует обратную совместимость с 802.11b. В режиме совместимости использует DSSS, а вообще OFDM.

Кодирование и полоса пропускания: 2B1Q, Манчестер

B1Q

Потенциальный код 2B1Q передает пару бит за один битовый интервал. Каждой возможной паре в соответствие ставится свой уровень из четырех возможных уровней потенциала.

Достоинство метода 2B1Q

Сигнальная скорость у этого метода в два раза ниже, чем у кодов NRZ и AMI, а спектр сигнала в два раза уже. Следовательно, с помощью 2B1Q-кода можно по одной и той же линии передавать данные в два раза быстрее.

Недостаток метода 2B1Q

Реализация этого метода требует более мощного передатчика и более сложного приемника, который должен различать четыре уровня.

При этом способе кодирования требуются дополнительные меры по борьбе с длинными последовательностями одинаковых пар бит, так как при этом сигнал превращается в постоянную составляющую. При случайном чередовании бит спектр сигнала в два раза уже, чем у кода NRZ, так как при той же битовой скорости длительность такта увеличивается в два раза. Таким образом, с помощью кода 2B1Q можно по одной и той же линии передавать данные в два раза быстрее, чем с помощью кода AMI или NRZI. Однако для его реализации мощность передатчика должна быть выше, чтобы четыре уровня четко различались приемником на фоне помех.

Манчестер.

При манчестерском кодировании каждый такт делится на две части. Информация кодируется перепадами потенциала в середине каждого такта. Единица кодируется перепадом от низкого уровня сигнала к высокому, а ноль — обратным перепадом (по стандарту IEEE 802.3, хотя по Д. Е. Томасу кодирование происходит наоборот). В начале каждого такта может происходить служебный перепад сигнала, если нужно представить несколько единиц или нулей подряд. Так как сигнал изменяется по крайней мере один раз за такт передачи одного бита данных, то манчестерский код обладает хорошими самосинхронизирующими свойствами. У манчестерского кода нет постоянной составляющей (меняется каждый такт), а основная гармоника в худшем случае (при передаче последовательности единиц или нулей) имеет частоту N Гц, а в лучшем случае (при передаче чередующихся единиц и нулей) — N/2 Гц, как и у NRZ. В среднем ширина спектра при манчестерском кодировании в два раза шире чем при NRZ кодировании.

Является самосинхронизирующимся, то есть не требует специальной кодировки синхроимпульса, который бы занимал полосу данных и поэтому является самым плотным кодом на единицу частоты. Логическому нулю соответствует положительный переход в центре бита, то есть первая половина битового интервала — низкий уровень, вторая половина — высокий (стандарт по Д. Е. Томасу). Логической единице соответствует отрицательный переход в центре бита. (Возможна и обратная реализация (стандарт IEEE 802.3), обычно в приёмнике это проверяется вначале передачи. «Обратная реализация может возникнуть например в трансформаторе, если перепутать направление обмоток»).

Обязательное наличие перехода в центре бита позволяет легко выделить синхросигнал. Допустимое расхождение частот передачи — до 25 % (это означает, что код Манчестер-2 — самый устойчивый к рассинхронизации, он самосинхронизуется в каждом бите передаваемой информации).

Плотность кода 1 бит/герц. В спектре сигнала, закодированного Манчестером-2, присутствует 2 частоты — частота передачи и половинная частота передачи (она образуется когда рядом стоят 0 и 1 или 1 и 0. При передаче гипотетической последовательности одних 0 или 1 в спектре будет присутствовать только частота передачи). Важным достоинством манчестерского кода является возможность обеспечить гальваническую развязку с помощью трансформатора, так как у него отсутствует постоянная составляющая. Вторым важным преимуществом является отсутствие необходимости в синхронизующих битах (как в NRZ-коде) и, вследствие этого, данные могут передаваться подряд сколь угодно долго, из-за чего плотность данных в общем потоке кода приближается к 100 % (например для кода NRZ 1-8-0 она равна 80 %).

2. Теоретические основы физического уровня передачи информации (спектр сигнала)

Основы передачи данных a)Все виды информации могут быть представлены в виде электромагнитных сигналов (ЭМС) аналоговых или цифровых b)Любой ЭМС имеет спектр (ширина, частотный диапазон, форма спектра)

Ширина спектра сигнала: Чем меньше высокочастотных составляющих в сигнале, тем уже ширина полосы пропускания может быть при передаче. Важным также является отсутствие постоянной составляющей, т.е. гармоники с постоянными не меняющимися параметрами, что приводит к наличию постоянного тока между приемником и передатчиком, что крайне нежелательно. Наконец, как мы уже отмечали, ширина спектра влияет на искажение формы сигнала. Чем шире спектр, тем сильнее искажения.

Максимальную скорость, с которой канал способен передавать данные, называют пропускной способностью канала или битовой скоростью.

В 1924 Найквист открыл взаимосвязь между пропускной способности канала и шириной его полосы пропускания.

Теорема Найквиста

Vmax data rate = 2H log2M бит/сек ,

Где Vmax data rate – максимальная скорость передачи H – ширина полосы пропускания канала, выраженная в Гц, М - количество уровней сигнал, используемых при передече. Например, из этой формулы следует, что канал с полосой 3КГц не может передавать двухуровневые сигналы быстрее 6000 бит/сек.