Nets2010 (1131259), страница 8

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 8)

Если все единичные сигналы имеют одинаковую полярность (т.е. все положительную или все отрицательную), то говорят, что сигнал униполярный. В противном случае логическую единицу представляют положительным потенциалом, а логический ноль – отрицательным. Скорость передачи данных – это количество бит в секунду, которые передают с помощью сигналов. Эту скорость также называют битовой скоростью.

Продолжительность (длина) бита – это интервал времени, которое нужно передатчику, чтобы испустить последовательность надлежащих единичных сигналов. При скорости передачи данных R бит/сек, длина бита равна 1/R. Напомним, что скорость модуляции или сигнальная скорость измеряется в бот – это скорость изменения уровня сигнала. Очень многое зависит от способа кодировки данных. За одно изменение уровня сигнала можно передать несколько бит данных.

Теперь рассмотрим, какие задачи должен решать приемник при передаче. Прежде всего, приемник должен быть точно настроен на длину бита. Он должен уметь распознавать начало и конец передачи каждого бита, а также уровень сигнала: низкий или высокий. Эти задачи могут решаться измерением уровня сигнала в середине длины бита и сравнением результата измерения с пороговым значением. Из-за шума на линии при этом могут возникать ошибки.

Есть три важных фактора влияющие на правильность передачи: уровень шума, скорость передачи данных и ширина полосы пропускания канала. Существует еще один фактор, влияющий на передачу данных: это способ представления (кодировки) данных на физическом уровне.

Основными критериями сравнения различных способов кодирования данных на физическом уровне являются:

• Ширина спектра сигнала. Чем меньше высокочастотных составляющих в сигнале, тем меньшая ширина полосы пропускания канала требуется для передачи. Важным также является отсутствие постоянной составляющей, т.е. гармоники с постоянными, не меняющимися параметрами. Появление такой гармоники 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.

• Синхронизация между приемником и передатчиком. Мы уже отмечали необходимость для приемника точно определять начало и конец битового интервала. На небольших расстояниях, например, внутри компьютера или между компьютером и его периферийными устройствами для этих целей используют дополнительную линию синхронизации. По этой линии специальная тактирующая схема (часы) выдает строго через определенные промежутки синхроимпульсы. Приход такого импульса для приемника означает начало битового интервала. В сетях, на больших расстояниях, это решение не годится по многим причинам. Другое решение этой проблемы состоит в создании так называемых самосинхронизирующихся кодов. Например, перепад в уровне сигнала (фронт) может служить хорошим признаком для приемника о начале битового интервала. Отсутствие фронта между битовыми интервалами существенно усложняет решение проблемы синхронизации, когда в соседних битовых последовательностях надо передать биты с одинаковыми значениями.

• Обнаружение ошибок. Хотя методы обнаружения и исправления ошибок располагаются на канальном уровне, который находится над физическим уровнем, тем не менее, и на физическом уровне весьма полезно иметь такие возможности.

• Чувствительность к шуму. За счет надлежащих ухищрений в схеме кодировки данных можно добиться высокой производительности при передаче даже при наличии очень высокого уровня шума.

• Стоимость и скорость. Несмотря на постоянное удешевление цифровой аппаратуры общая тенденция такова, что увеличение сигнальной скорости с целью увеличения битовой ведет к удорожанию аппаратуры.

Все схемы кодирования делятся на потенциальные и импульсные. У потенциальных кодов значение бита передается удержанием потенциала сигнала на определенном уровне в течение битового интервала. У импульсных кодов это значение передается перепадом (фронтом) уровня сигнала. Направление перепада с низкого на высокий или с высокого на низкий уровень определяет значение бита.

Потенциальный NRZ-код.

В потенциальной схеме кодирования NRZ (NRZ – Non return to zero – без возврата к нулю на битовом интервале) логическому 0 и логической 1 сопоставлены два устойчиво различаемых потенциала. К достоинствам этого кода следует отнести простоту реализации, устойчивость к ошибкам, достаточно узкий частотный спектр сигнала.

Основным недостатком этого кода является отсутствие синхронизации. На длинных последовательностях нулей или единиц, т.е. когда потенциал на линии не меняется, может произойти рассинхронизация между приемником и передатчиком, что приведет к ошибкам. Однако если исключить возможность появления длинных последовательностей 0 или 1, то этот метод может быть весьма эффективен. Обеспечить отсутствие таких последовательностей могут специальные устройства, называемые скремблеры.

Модификацией NRZ-кода и хорошим примером дифференциального кодирования является код NRZ-I. Идея дифференциальных кодов состоит в том, чтобы кодировать не абсолютное значение текущего бита, а разницу значений между предыдущим битом и текущим. В случае кода NRZ-I если текущий бит – 0, то он кодируется тем же потенциалом, что и предыдущий бит, если текущий бит – 1, то он кодируется другим потенциалом, чем предыдущий. Основным достоинством этого кода по отношению NRZ-коду является большая устойчивость к шуму.

Биполярный код AMI.

Другим примером потенциального кода является метод биполярного кодирования с альтернативной инверсией (Bipolar Alternate Mark Inversion – AMI). В этом методе используются не два уровня сигналов, как в NRZ-методах, а три: положительный, ноль и отрицательный. Значению 0 соответствует нулевой потенциал на линии; значению 1 - либо положительный, либо отрицательный потенциал. При этом потенциал каждой последующей единицы противоположен потенциалу предыдущей.

У этого метода есть несколько существенных преимуществ по сравнению с NRZ-кодами. Во-первых, в случае длительной последовательности единиц рассинхронизации не происходит. Каждая единица сопровождается изменением потенциала, устойчиво распознаваемым приемником. Поскольку каждая единица сопровождается изменением потенциала, то не возникнет постоянной составляющей. Однако длинная последовательность 0 остается проблемой, и требуются дополнительные усилия, которые позволили бы избежать ее появления. Во-вторых, спектр сигнала здесь уже, чем у NRZ-кодов. И, наконец, свойство чередования уровней позволяет обнаруживать единичные ошибки.

С применением надлежащей техники скремблирования биполярные импульсные коды обладают лучшими характеристиками, чем NRZ-коды. Однако это превосходство не бесплатно. Каждый единичный сигнал может иметь один из трех уровней, а поэтому он может нести бит информации, из которых используется только один бит. Поэтому эффективность этого кода ниже. Кроме того, передатчик и приемник для биполярного метода сложнее, чем для NRZ-кодов.

Биполярные импульсные коды.

Существует другая группа методов кодирования, известная как биполярное импульсное кодирование. Здесь мы рассмотрим широко распространенные методы из этой группы: Манчестерский и дифференциальный Манчестерский коды.

• В Манчестерском коде данные кодируются фронтами в середине битового интервала. Этим достигаются две цели: синхронизация приемника и передатчика, и передача данных: фронт перехода от низкого потенциала к высокому соответствует 1, а фронт перехода от высокого потенциала к низкому – 0.

• В дифференциальном Манчестерском коде сигнал может менять свой уровень дважды в течение битового интервала. В середине интервала обязательно происходит изменение уровня. Этот перепад используется для синхронизации. При передаче 0 в начале битового интервала происходит перепад уровней, при 1 – такой перепад отсутствует.

Все биполярные импульсные методы требуют от одного до двух перепадов уровня сигнала за один битовый интервал. Поэтому их сигнальная скорость в два раза выше, чем у потенциальных кодов. Это означает, что они требуют более широкой полосы пропускания, чем потенциальные коды. Однако у них есть несколько существенных преимуществ:

• самосинхронизация

• отсутствие постоянной составляющей

• обнаружение единичных ошибок

Потенциальный код 2B1Q.

В этом методе каждые два последовательных бита (2В) передаются за один битовый интервал сигнала, который может иметь четыре состояния (1Q). Паре 00 соответствует потенциал -2.5 В, 01 соответствует -0.833 В, 11 – +0.833 В, 10 – +2.5 В.

У этого метода сигнальная скорость в два раза ниже, чем у кодов NRZ и AMI, а спектр сигнала в два раза уже. Поэтому с помощью 2B1Q-кода можно по одной и той же линии передавать данные в два раза быстрее. Однако реализация этого метода требует более мощного передатчика и более сложного приемника, который должен различать не два уровня, а четыре.

Сигнальная скорость.

Рассмотрим, как тот или иной метод кодирования влияет на скорость передачи данных (битовую скорость) и сигнальную скорость.

Битовая скорость равна 1/tb, где tb– длина бита. Сигнальная скорость показывает скорость изменения уровня сигнала. Возьмем для примера Манчестерский код. Минимальный размер единичного сигнала равен половине битового интервала. Для последовательности из 0 или 1 будет генерироваться последовательность таких единичных сигналов. Поэтому сигнальная скорость Манчестерского кода равна 2/tb. В общем случае D = R/b, где D – сигнальная скорость R – битовая скорость в бит/сек. b – количество бит на единичный сигнал

14. Теоретические основы передачи данных (ограничения на пропускную способность передачи сигналов, взаимосвязь пропускной способности канала и ширины его полосы пропускания). Передача аналоговых данных цифровыми сигналами.

Преобразование аналоговых данных в цифровой сигнал можно представить как преобразование аналоговых данных в цифровую форму. Этот процесс называют оцифровкой данных. Выполнив его, мы можем передать цифровые данные цифровым или аналоговым сигналом.

Устройство АЦП (аналогово-цифровой преобразователь) превращает аналоговые данные в цифровую форму, а устройство ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь) выполняет обратную процедуру. Устройство, объединяющее в себе функции и АЦП, и ЦАП, называют кодеком (кодер-декодер). Рассмотрим два основных метода преобразования аналогового сигнала в цифровую форму: импульсно-кодовую модуляцию и дельта-модуляцию.

Импульсно-кодовая модуляция.

Импульсно-кодовая модуляция (ИКМ) основана на следствии из теоремы Найквиста, которое утверждает, что если измерять параметры сигнала f(t) через регулярные интервалы времени с частотой не меньше, чем удвоенная частота самой высокочастотной составляющей сигнала, то полученная серия измерений будет содержать всю информацию об исходном сигнале и этот сигнал может быть восстановлен. Однако надо помнить, что это замеры амплитуды аналогового сигнала. Чтобы преобразовать результаты замера в цифровой код, поступают следующим образом. Весь диапазон всех возможных амплитуд сигналов сначала разбивают, например, на 16 уровней. Каждому уровню сопоставляют двоичный код, который соответствует двоичному представлению номера этого уровня.

Важно иметь в виду, что т.к. каждый из 16 уровней является лишь приближением реального значения амплитуды сигнала, то точное восстановление исходного сигнала будет невозможно. Можно увеличить число уровней до 156, что потребует 8 разрядов (для передачи голоса это будет сравнимо по качеству с аналоговой передачей). Однако заметим, что нам в этом случае придется передавать результаты более 8000 замеров по 8 разрядов каждый, т.е. битовая скорость должна быть не ниже 64 Кбит/сек.

На стороне приемника по полученному цифровому коду восстанавливают аналоговый сигнал. Однако, как мы уже отметили, вследствие «округления» точное восстановление сигнала невозможно. Этот эффект называют ошибкой квантования или шумом квантования. Существуют методы его понижения за счет нелинейных методов квантования.

Дельта-модуляция.

Другой альтернативой ИКМ является метод дельта-модуляции. На исходную непрерывную функцию, представляющую аналоговый сигнал, накладывают ступенчатую функцию. Значения этой ступенчатой функции меняются на каждом шаге квантования по времени Ts на величину δ. Замена исходной функции на эту дискретную, ступенчатую функцию интересна тем, что поведение последней носит двоичный характер. На каждом шаге значение ступенчатой функции либо увеличивается на δ, будем представлять этот случай 1, либо уменьшается на δ – случай 0.

Характеристики

Список файлов ответов (шпаргалок)