Физический уровень (Лекции 2014 года)

Физический уровень:Принципы функционированияфизической средыпередачи данных(том 1 стр.63 – 101)Компьютерные сетипроф. Смелянский Р.Л.Лаборатория Вычислительных комплексовф-т ВМК МГУВведение в компьютерные сетипроф.Смелянский Р.Л.15.04.20141Основы передачи данных• Все виды информации могут быть представлены ввидеэлектромагнитныхсигналов(ЭМС)аналоговых или цифровых• Любой ЭМС имеет спектр сигналов разной частоты(ширина частотной полосы гармоник)• Основная проблема - ухудшение сигнала припередаче (потеря энергии, искажение формы,шумы)• Основные характеристики канала - полосапропускания, скорость передачи для цифровыхданных, уровень шума, уровень ошибок припередачеВведение в компьютерные сетипроф.Смелянский Р.Л.15.04.20142Сигнал как функция времени –непрерывные vs дискретныеНепрерывныйДискретныйВведение в компьютерные сетипроф.Смелянский Р.Л.15.04.20143Сигнал как функция частотыРяд ФурьеNN1g ( N )  c   an sin(2nft )   bn cos(2nft )2 n1n1где f - частота, an ,bn – амплитуды n-ойгармоники.Введение в компьютерные сетипроф.Смелянский Р.Л.15.04.20144Сигнал как функция частотыВведение в компьютерные сетипроф.Смелянский Р.Л.15.04.20145Сигналы, данные, передача• Данные – описание фактов, явлений• Сигналы - представление данных при передаче• Передача - процесс взаимодействияпередатчика и приемника, с целью передачисигнала.Введение в компьютерные сетипроф.Смелянский Р.Л.15.04.20146Данные• Данные попроисхождению могутиметь разную форму- аналоговые vsцифровые• Данные аналоговыеo голос, видео• Данные дискретные(цифровые)o текст: буква, символВведение в компьютерные сетипроф.Смелянский Р.Л.Сигналы• Сигналы - аналоговыеvs цифровые15.04.20147Влияние шума на цифровой сигналВведение в компьютерные сетипроф.Смелянский Р.Л.15.04.20148Аналоговая vs цифровая передача затухание и нарушение формы вцифровом случае не столь сильно как ваналоговом. при ретрансляции цифрового сигналапроще восстановить его изначальнуюформу, котораяизвестна точно, вотличии от аналогового сигнала.

Приретрансляциианалоговогосигналаошибка накапливается.Введение в компьютерные сетипроф.Смелянский Р.Л.15.04.20149Аналоговая vs цифровая передача цифровая передача более надежна:форма сигнала известна. по цифровой сети можно передавать иданные и голос и музыку одновременно ис большей скоростью. цифровая передача дешевле, так как ненадо восстанавливать форму сигнала. цифровую сеть проще эксплуатировать.Введение в компьютерные сетипроф.Смелянский Р.Л.15.04.201410Взаимосвязь пропускнойспособности канала и его полосыпропускания• Разные среды искажают форму сигнала и гасят егоэнергию в зависимости от частоты сигнала поразному.• Полоса пропускания канала - спектр частот, которыеканал пропускает без существенного понижениямощности сигнала.• Скорость передачи зависит от способа кодированияданных на физическом уровне и сигнальнойскорости - скорости изменения значения сигнала. Этаскорость изменений сигнала в секунду измеряется вбод.Введение в компьютерные сетипроф.Смелянский Р.Л.15.04.201411Сигнальная скорость5 бит=5 мсек11111NRZ I1 бит= 1 единичный сигнал=1 мсекМанчестер1 бит-1 мсекВведение в компьютерные сетипроф.Смелянский Р.Л.1 единичный сигнал=0.5 мсек15.04.201412Взаимосвязь пропускнойспособности канала и его полосыпропускания• Пропускная способность канала - максимальнаяскорость, с которой канал способен передаватьданные.• Взаимосвязь пропускной способности канала иширины его полосы пропускания определяетТеорема Найквиста (1924г.)V max data rate = 2H log2 L ,где H – ширина полосы пропускания канала(максимальнаячастота сигнала в спектре), L - количество уровнейсигнала.Теорема КотельниковаВведение в компьютерные сетипроф.Смелянский Р.Л.15.04.201413Взаимосвязь пропускной способностиканала и его полосы пропускания• шум в канале измеряется как соотношениемощности полезного сигнала к мощности шума:S/N ( измеряется в децибелах 1dB = 10 log10(S/N)).• для случая канала с шумом есть Теорема ШеннонаVmax =H log2 (1+S/N) bps,где S/N - соотношение сигнал-шум в канале;здесь уже неважно количество уровней в сигнале.Это - теоретический предел, которой редкодостигается на практике.Введение в компьютерные сетипроф.Смелянский Р.Л.15.04.201414Сигналы с ограниченной полосойпропускания• Пример канала с шумом:- H = 3КГц, шум = 30dB следовательноVmax=30 000 бит/с• Пример влияния ширины полосыпропускания на битовую скорость передачиb – сигнальная скорость, надо передать 8 бит,H – ширина полосы,Max число гармоник = H (8/b) = (3000 *8)/bпри b=9600 не более 2 гармоник.Введение в компьютерные сетипроф.Смелянский Р.Л.15.04.201415Влияние ширины полосы пропусканияна качество сигналаВведение в компьютерные сетипроф.Смелянский Р.Л.15.04.201416Представление данных нафизическом уровнеВведение в компьютерные сетипроф.Смелянский Р.Л..15.04.201417Сигналы и Данныеo аналог.данные - аналог.сигнал(соответствие спектров частот)o цифр.данные - аналог.сигнал (модем)o аналог.данные - цифр.сигнал(оцифровка)o цифр.данные - цифр.сигнал (количествоуровней сигнала)Введение в компьютерные сетипроф.Смелянский Р.Л.15.04.201418Схемы аналоговой и цифровойпередачиx(t)g(t)x(t)Кодировщикg(t)ДекодировщикЦифровойАналоговыелибо цифровыеs(t)m(t)s(t)МодуляторАналоговыелибо цифровыеtm(t)ДемодуляторАналоговыйtВведение в компьютерные сетипроф.Смелянский Р.Л.15.04.201419Цифровые данные – ЦифровыесигналыВведение в компьютерные сетипроф.Смелянский Р.Л.15.04.201420Битовый интервал5 бит=5 мсек11111NRZ I1 бит= 1 единичный сигнал=1 мсекМанчестер1 бит-1 мсекВведение в компьютерные сетипроф.Смелянский Р.Л.1 единичный сигнал=0.5 мсек15.04.201421Способы кодировки данныхПотенциальный код NRZ0 – высокий потенциал1 – низкий потенциалБиполярный код NRZI0 – нет перепада уровня сигнала в начале битного интервала1 – перепад уровня сигнала в начале интервалаБиполярный код AMI0 – отсутствие сигнала1 – положительный или отрицательный потенциал, обратный поотношению к потенциалу в предыдущий периодМанчестерский код0 – переход с высокого на низкий потенциал в середине интервала1 – переход с низкого на высокий потенциал в середине интервалаПотенциальный код 2B1QИспользует 4 уровня сигналов, значение уровня определяет значениепары битов данныхВведение в компьютерные сетипроф.Смелянский Р.Л..15.04.201422Примеры кодов010011000110Потенциальный кодNRZПотенциальный кодNRZIБиполярный код AMIМанчестерский кодПотенциальный код2B1QДифферен-ныйманчестерский кодВведение в компьютерные сетипроф.Смелянский Р.Л..15.04.201423Потенциальный NRZ код• NRZ – Non Return to Zero– без возврата к нулю набитовом интервале• Основным недостаткомэтого кода являетсяотсутствиесинхронизации.• Модификацией NRZкода и хорошимпримеромдифференциальногокодирования являетсяNRZ-I кодВведение в компьютерные сетипроф.Смелянский Р.Л.0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0Потенциальныйкод NRZБиполярный кодNRZIБиполярный кодAMIМанчестерскийкодПотенциальныйкод 2B1QДифферен-ныйманчестерскийкод15.04.201424Биполярный код AMI••••••••Bipolar Alternate Mark Inversion –AMIТри уровня сигнала.

Потенциал каждойпоследующей единицыпротивоположен потенциалупредыдущей.При длительной последовательности 1рассинхронизация не происходитСпектр сигнала уже, чем у NRZ кодовПравило чередования уровнейпозволяет обнаруживать единичныеошибки.С применением техникискремблирования биполярныеимпульсные коды обладают лучшимихарактеристиками, чем NRZ коды.Эффективность этого кода ниже, чемNRZ: каждый единичный сигнал можетнести log23=1.58 бит информации, аиспользуется только один бит.Передатчик и приемник длябиполярного метода сложнее, чем дляNRZ кодов.Введение в компьютерные сетипроф.Смелянский Р.Л.0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0Потенциальныйкод NRZБиполярныйкод NRZIБиполярныйкод AMIМанчестерскийкодПотенциальныйкод 2B1QДифферен-ныйманчестерскийкод15.04.201425Биполярные импульсные коды••••В Манчестерском коде данныекодируются фронтами в серединебитового интервала: фронт перехода отнизкого потенциала к высокомусоответствует 1, а фронт перехода отвысокого потенциала к низкому – 0.В дифференциальном Манчестерскомкоде в середине битового интервалаобязательно происходит изменениеуровня: при передаче 0 в начале битовогоинтервала, происходит перепад уровней,при 1 – такой перепад отсутствует.У всех биполярных импульсных кодовсигнальная скорость в два раза выше, чему потенциальных кодов.

Они требуютболее широкой полосы пропускания, чемпотенциальные коды.У них есть несколько существенныхпреимуществ:o самосинхронизацияo отсутствие постояннойсоставляющейo отсутствие единичных ошибок.Введение в компьютерные сетипроф.Смелянский Р.Л.0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0Потенциальный код NRZБиполярныйкод NRZIБиполярныйкод AMIМанчестерский кодПотенциальный код 2B1QДифферен-ныйманчестерскийкод15.04.201426Потенциальный код 2B1Q• Каждые двапоследовательных бита (2В)передаются за один битовыйинтервал сигнала, которыйможет иметь четыресостояния (1Q).• У этого метода сигнальнаяскорость в два раза ниже, чемNRZ и AMI кодов, а спектрсигнала в два раза уже.• Этот метод требует сложногопередатчика и приемника,которые должны различать недва уровня, а четыре.Введение в компьютерныесети.проф.Смелянский Р.Л.0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0Потенциальныйкод NRZБиполярныйкод NRZIБиполярныйкод AMIМанчестерскийкодПотенциальныйкод 2B1QДифферен-ныйманчестерскийкод15.04.201427Цифровые данные – Аналоговыйсигнал• Телефонные сети были созданы для передачи икоммутации аналоговых сигналов в голосовомдиапазоне частот от 300 до 3400 Гц.• Модем (МОдулятор–ДЕМодулятор) преобразуетцифровой сигнал в аналоговый в надлежащемдиапазоне частот и наоборот.• Есть три основных метода модуляции дляпреобразования цифровых данных в аналоговуюформу:o амплитудная модуляцияo частотная модуляцияo фазовая модуляция.Введение в компьютерные сетипроф.Смелянский Р.Л.15.04.201428Цифровые данные – аналоговый сигналАмплитудная модуляцияЧастотная модуляцияКомпьютерные сетиВведение в компьютерные13.04.2014 сетипроф.СмелянскийР.Л.Фазовая модуляцияпроф.Смелянский Р.Л.2915.04.201429Сигнальная скорость5 бит=5 мсек1D = R/b ,o где D – сигнальнаяскорость, R –битовая скорость вбит/сек.,b –количество бит наединичный сигналВведение в компьютерные сетипроф.Смелянский Р.Л.1111NRZ I1 бит= 1 единичныйсигнал=1 мсекМанчестер1 бит-1мсек1 единичныйсигнал=0.5 мсек15.04.201430Цифровые данные – АналоговыйсигналD=R/b=R/(log2L),• где D – скорость модуляции (сигнальнаяскорость)• R – битовая скорость (скорость передачиданных)• L – число разных уровней единичныхсигналов• b – число бит на единичный сигнал.Введение в компьютерные сетипроф.Смелянский Р.Л..15.04.201431Аналоговые данные – Цифровойсигнал• АЦП (Аналогово-Цифровой Преобразователь)превращает аналоговые данные в цифровую формуЦАП (Цифро-Аналоговый преобразователь)выполняет обратную процедуруУстройство, объединяющее в себе функции и АЦПи ЦАП, называют кодеком (кодер-декодер)• Два основных метода преобразования аналоговогосигнала в цифровую форму:o импульсно кодовую модуляцию иo дельта модуляциюВведение в компьютерные сетипроф.Смелянский Р.Л.15.04.201432Импульсно-Кодовая МодуляцияВведение в компьютерные сетипроф.Смелянский Р.Л.15.04.201433Дельта модуляцияВведение в компьютерные сетипроф.Смелянский Р.Л.15.04.201434Аналоговые данные – аналоговый сигналНесущаяПередаваемый сигналАмплитудная модуляцияФазоваяКомпьютерные сетиВведение в компьютерные13.04.2014 сетиЧастотнаяпроф.СмелянскийР.Л.проф.Смелянский Р.Л.3515.04.201435Аналоговые данные – аналоговыйсигнал• Метод квадратичной амплитудной модуляцииQAM (Quadrature Amplitude Modulation) – этокомбинация амплитудной и фазовой модуляций.Идея этого метода состоит в том, что можно поодной и той же линии послать одновременно дваразных сигнала с одинаковой несущей частотой,но сдвинутых по фазе друг относительно другана 90º.