Э. Таненбаум - Компьютерные сети. (4-е издание) (PDF) (1130118), страница 39
Текст из файла (страница 39)
Исключение может составлять только передача на малое расстояние при невысокой скорости.Для решения этой проблемы вместо постоянного тока для передачи данных,особенно по телефонным линиям, применяется переменный ток. Непрерывныйсигнал на частоте от 1000 до 2000 Гц называется синусоидальной несущей частотой. Амплитуда, частота и фаза несущей могут изменяться (модулироваться)для передачи информации.
При амплитудной модуляции используются две различные амплитуды сигнала, соответствующие значениям нуля и единицы. Причастотной модуляции, называемой также частотной манипуляцией (термин«манипуляция» широко используется в качестве синонима «модуляции»), дляпередачи цифрового сигнала используется несколько различных частот. Припростейшей фазовой модуляции применяется сдвиг фазы несущей частоты на180° через определенные интервалы времени.
Улучшенным вариантом фазовоймодуляции является сдвиг фазы на постоянный угол, например, на 45, 135, 225или 315° для передачи 2 бит информации за один временной интервал. Можнотакже изменять фазу по окончании интервалов, что позволяет приемнику болеечетко распознать их границы.159Число отсчетов (сэмплов) в секунду измеряется в бодах. За каждый бод передается один символ. Таким образом, линия, работающая со скоростью п бод, передает п символов в секунду.
Например, линия со скоростью 2400 бод отправляет1 символ за 416,667 мкс. Если символ состоит из двух состояний линии (к примеру, 0 В означает логический ноль, 1 В означает логическую единицу), то битовая скорость составляет 2400 бит/с. Если же используются четыре уровня напряжений (например, 0, 1,2, 3), тогда каждый символ будет состоять уже из двух бит,поэтому та же самая линия на 2400 бод сможет передавать все те же 2400 символов в секунду, но уже с битовой скоростью 4800 бит/с.
Аналогично, можно задать четыре степени фазового сдвига вместо двух, тогда и модулированный сигнал будет кодировать один символ двумя битами, а битовая скорость, опять же,будет в два раза выше. Такой метод применяется очень широко и называетсяквадратурной фазовой манипуляцией, QPSK (Quadrature Phase Shift Keying).NataHaus.RUНа рис. 2.20 показаны три формы модуляции. Рисунок 2.20, б дает представление о том, как выглядит исходный сигнал при амплитудной модуляции. Амплитуда его либо ненулевая, либо равна нулю. На рис. 2.20, в показано, что тот жеисходный сигнал кодируется двумя разными частотами.
Наконец, из рис. 2.20, гвидно, что два состояния кодируются наличием либо отсутствием фазового сдвига на границе каждого бита.Устройство, принимающее последовательный поток битов и преобразующееего в выходной сигнал, модулируемый одним или несколькими из приведенныхспособов, а также выполняющий обратное преобразование, называется модемом(сокращение от «модулятор-демодулятор»). Модем устанавливается между (цифровым) компьютером и (аналоговой) телефонной линией.Добиться увеличения скорости простым увеличением частоты дискретизацииневозможно. Теорема Найквиста утверждает, что даже при наличии идеальногоканала с частотой 3000 Гц (каковым телефонная линия не является) невозможнопередавать отсчеты сигнала чаще, чем с частотой 6000 Гц.
На практике большинство модемов делают 2400 отсчетов в секунду и стремятся не к повышению этогозначения, а к повышению числа бит на отсчет.Изменения фазыРис. 2.20. Двоичный сигнал (а); амплитудная модуляция (б); частотная модуляция (в);фазовая модуляция (г)Понятия полосы пропускания, бода, символа и битовой скорости часто путают, поэтому сейчас необходимо поставить все на свои места и четко определить.160Коммутируемая телефонная сеть общего пользованияГлава 2. Физический уровень161звездий).
У каждого стандарта высокоскоростных модемов есть своя диаграмма.Такой модем может общаться только с теми модемами, которые используют туже диаграмму (хотя более быстрые модемы обычно могут эмулировать диаграммы всех более медленных модемов).Чем больше точек находится на амплитудно-фазовой диаграмме, тем большевероятность того, что даже слабый шум при детектировании амплитуды или фазы приведет к ошибке и порче битов.
Для уменьшения этой вероятности былиразработаны стандарты, подразумевающие включение в состав каждого отсчетанескольких дополнительных битов коррекции. Такие схемы называются решетчатым кодированием, или ТСМ (Trellis-Coded Modulation). Так, например,стандарт V.32 имеет 32 точки на диаграмме для передачи 4 бит/символ и 1 контрольный бит на линии 2400 бод, что позволяет достигнуть скорости 9600 бит/сс коррекцией ошибок. Амплитудно-фазовая диаграмма для V.32 показана нарис. 2.22, а. Идея «повернуть» диаграмму на 45° была вызвана некоторыми техническими соображениями; понятно, что информационная емкость «повернутых»и «не повернутых» диаграмм одна и та же.Следующим шагом после скорости 9600 бит/с стала скорость 14 400 бит/с.Новый стандарт был назван V.32 bis.
Такая скорость достигается передачей 6 битданных и 1 контрольного бита на отсчет при частоте дискретизации 2400 бод.Амплитудно-фазовая диаграмма (рис. 2.22, б) состоит из 128 точек при использовании QAM-128. Эта скорость используется факс-модемами для передачистраниц, отсканированных в виде растровых изображений. QAM-256 не используется в обычных модемах для телефонных линий, зато применяется в кабельных сетях, как мы увидим далее.Полосой пропускания среды называется диапазон частот, которые могут передаваться в этой среде с минимальным затуханием.
Это физическое свойство материала. Полоса варьируется обычно от 0 до какого-то максимального значенияи измеряется в герцах (Гц).Скорость двоичной передачи, baud rate (в бодах) — это число отсчетов, совершаемых за одну секунду. Каждый отсчет передает единицу информации, то естьсимвол. Таким образом, скорость двоичной передачи равна скорости передачисимволов. Метод модуляции (например, QPSK) определяет число бит, из которых состоит один символ.Битовой скоростью называется объем информации, передаваемый по каналуза секунду. Битовая скорость равна произведению числа символов в секундуи числа бит на символ (символ/с х бит/символ).Все хорошие модемы используют комбинированные методы модуляции сигналов для передачи максимального количества бит в одном боде.
Зачастую, например, комбинируются амплитудная и фазовая модуляции. На рис. 2.21, а изображены точки, расположенные под углами 45, 135, 225 и 315°, с постоянным уровнемамплитуды (это видно по расстоянию до них от начала координат). Фаза этихточек равна углу, который линия, проведенная через точку и начало координат,составляет с положительным направлением горизонтальной оси. На рис.
2.21, авидно, что возможны четыре положения фазового сдвига, значит, можно передавать 2 бита на символ. Это метод QPSK.На рис. 2.21, б изображен другой комбинированный метод модуляции, использующий 16 комбинаций амплитудных и фазовых сдвигов. С его помощьюможно передавать уже 4 бита на символ. Такая схема называется квадратурнойамплитудной модуляцией, или QAM-16 (Quadrature Amplitude Modulation).Она может, например, использоваться для передачи 9600 бит/с по линии с пропускной способностью 2400 бод.На рис. 2.21, в изображен еще один метод, комбинирующий амплитуднуюи фазовую модуляции.
С помощью 64 комбинаций можно в один символ поместить 6 бит. Метод называется QAM-64). Существуют схемы QAM и более высоких порядков.NataHaus.RU9090••180—•••90-•ф180180•—0•-• • ^ - 0180•270180-9090а•270бРис. 2.22. V.32 для 9600 бит/с (a); V.32 для 14 400 бит/с (б)270а270б270вРис. 2 . 2 1 . QPSK (a); QAM-16 (б); QAM-64 (в)Диаграммы, показывающие допустимые комбинации амплитуд и фаз (как нарис. 2.21), называются амплитудно-фазовыми диаграммами (диаграммами со-иСледующим телефонным стандартом после стандарта V.32 bis является V.34со скоростью 28 800 бит/с при частоте дискретизации 2400 бод и 12 битах данных на символ.
Последние модемы этой серии были сделаны в соответствии состандартом V.34 bis и использовали 14 бит/символ при 2400 бод, за счет чегобыла достигнута скорость 33 600 бит/с.162Глава 2. Физический уровеньКоммутируемая телефонная сеть общего пользованияДля дальнейшего повышения скорости необходимо было прибегать к всяческим уловкам. Так, например, многие модемы используют предварительное сжатие данных, что позволяет превысить порог эффективной скорости передачиданных, составляющий 33 600 бит/с. С другой стороны, почти все модемы прослушивают линию перед началом передачи, и если обнаруживается, что ее качество недостаточно высоко, то они автоматически понижают скорость относительно своего максимума.
Таким образом, эффективная скорость модема при егоработе в реальных условиях может оказаться как ниже, так и выше официальнозаявленной.Все современные модемы позволяют передавать данные одновременно в обоихнаправлениях (используя разные частотные диапазоны для каждого из направлений). Соединения, обладающие такой возможностью, называются дуплексными.
Скажем, двухпутная железная дорога, по которой поезда могут перемещаться во встречных направлениях, является своеобразной дуплексной линии связи.Соединение с возможностью поочередной передачи данных в каждом из направлений называется полудуплексным.
Примером полудуплексной линии являетсяоднопутная железная дорога. Наконец, соединение, при котором данные можноотправлять только в одном направлении, называется симплексным. Примеромможет служить дорога с односторонним движением. Еще один пример — оптоволокно с лазером на одном конце и фотоприемником на другом.Ограничение скорости телефонных линий тридцатью пятью килобитами в секунду, обоснованное Шенноном, заставило разработчиков модемов остановитьсяна скорости 33 600 бит/с. Дальнейшее ускорение невозможно в силу законовтермодинамики. Чтобы узнать, могут ли на самом деле модемы работать со скоростью 56 Кбит/с, следите внимательно за дальнейшими рассуждениями.Чем объясняется теоретический предел в 35 Кбит/с? Это связано, преждевсего, со средней протяженностью местных линий связи и их качеством.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
