Принципы функционирования физической среды передачи данных. (Лекция 3) презентация

Физический уровень Принципы функционирования физической среды передачи данных

Основы передачи данных Все виды информации могут быть представлены в виде электромагнитных сигналов (ЭМС) аналоговых или цифровых Любой ЭМС имеет спектр сигналов разной частоты (ширина частотной полосы гармоник) Основная проблема - ухудшение сигнала при передаче (потеря энергии, искажение формы, шумы) Основные факторы СПД - полоса пропускания, скорость передачи для цифровых данных, уровень шума, уровень ошибок при передаче

Сигнал как функция частоты где f - частота, an ,bn – амплитуды n-ой гармоники

Сигналы Сигналы - аналоговые vs цифровые аналог.данные - аналог.сигнал (соответствие спектров частот) цифр.данные - аналог.сигнал (модем) аналог.данные - цифр.сигнал (оцифровка) цифр.данные - цифр.сигнал (количество уровней сигнала)

Схемы аналоговой и цифровой передачи

Преимущества цифрового сигнала перед аналоговым затухание и нарушение формы в цифровом случае не столь сильно как в аналоговом. при ретрансляции цифрового сигнала проще восстановить его изначальную форму, которая известна точно, в отличии от аналогового сигнала. При ретрансляции аналогового сигнала ошибка накапливается.

Аналоговая vs цифровая передача цифровая передача более надежна в силу выше сказанного. по цифровой сети можно передавать и данные и голос и музыку одновременно и с большей скоростью. цифровая передача дешевле, так как не надо тратить большие усилия на восстановление формы сигнала. цифровую сеть проще эксплуатировать.

Взаимосвязь пропускной способности канала и его полосы пропускания Разные среды искажают форму сигнала и гасят его энергию в зависимости от частоты сигнала по-разному. Характеристику канала, определяющую спектр частот, которые канал пропускает без существенного понижения мощности сигнала, называют шириной полосы пропускания Скорость передачи зависит от способа кодирования данных на физическом уровне и сигнальной скорости - скорости изменения значения сигнала. Эта скорость изменений сигнала в секунду измеряется в бодах.

Сигнальная скорость

Взаимосвязь пропускной способности канала и его полосы пропускания Максимальную скорость, с которой канал способен передавать данные, называют пропускной способностью канала. В 1924 Найквист открыл взаимосвязь пропускной способности канала и ширины его полосы пропускания (максимальная частота сигнала). Теорема Найквиста V max data rate = 2H log2 M bps , где H – ширина полосы пропускания канала, M - количество уровней, которые может принимать сигнал.

Взаимосвязь пропускной способности канала и его полосы пропускания шум в канале измеряется как соотношение мощности полезного сигнала к мощности шума: S/N ( измеряется в децибелах). для случая канала с шумом есть Теорема Шеннона V max = 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 редко достигается на практике.

Сигналы с ограниченной полосой пропускания Пример канала с шумом: H=3КГц, шум=30dB следовательно Vmax=30 000 бит/сек Пример влияния ширины полосы пропускания на битовую скорость передачи b – сигнальная скорость, надо передать 8 бит, H – ширина полосы, Max число гармоник = (8H)/b= (3000 *8)/b при b=9600 не более 2 гармоник.

Цифровые данные – Аналоговый сигнал Телефонные сети были созданы для передачи и коммутации аналоговых сигналов в голосовом диапазоне частот от 300 до 3400 Гц. Модем (МОдулятор–ДЕМодулятор) преобразует цифровой сигнал в аналоговый в надлежащем диапазоне частот и наоборот. Есть три основных метода модуляции для преобразования цифровых данных в аналоговую форму: амплитудная модуляция частотная модуляция фазовая модуляция.

Цифровые данные – Аналоговый сигнал D=R/b=R/(log2L), где D – скорость модуляции (сигнальная скорость) R – битовая скорость (скорость передачи данных) L – число разных уровней единичных сигналов b – число бит на единичный сигнал.

Аналоговые данные – Цифровой сигнал АЦП (Аналогово-Цифровой Преобразователь) превращает аналоговые данные в цифровую форму ЦАП (Цифро-Аналоговый преобразователь) выполняет обратную процедуру Устройство, объединяющее в себе функции и АЦП и ЦАП, называют кодеком (кодер-декодер) Два основных метода преобразования аналогового сигнала в цифровую форму: импульсно кодовую модуляцию и дельта модуляцию

Аналоговые данные – аналоговый сигнал Где возникает потребность передавать аналоговые данные с помощью аналоговых сигналов? При амплитудной модуляции форма результирующего сигнала определяется формулой: S(t) = [1+nax(t)]cos 2fct, где fc – частота несущей, na – индекс модуляции, который определяют как отношение амплитуды исходного сигнала к амплитуде несущего сигнала. В наших обозначениях m(t)=1+nax(t). Форма результирующего сигнала при частотной модуляции определяется следующим выражением: S(t) =Ac cos (2fct+ nfm(t)), где nf – индекс частотной модуляции. Сигнал, получаемый фазовой модуляцией, определяет соотношение: S(t) =Ac cos (2fct+ npm(t)), где np – индекс частотной модуляции.

Аналоговые данные – аналоговый сигнал Метод квадратичной амплитудной модуляции QAM (Quadrature Amplitude Modulation) – это комбинация амплитудной и фазовой модуляций. Идея этого метода состоит в том, что можно по одной и той же линии послать одновременно два разных сигнала с одинаковой несущей частотой, но сдвинутых по фазе друг относительно друга на 90º. Каждый сигнал генерируется методом амплитудной модуляции. Применяется в технологии ADSL.

Цифровые данные – Цифровые сигналы Единичный сигнал Униполярные сигналы Битовый интервал Сравнение кодов Ширина спектра сигнала Синхронизация между приемником и передатчиком Обнаружение ошибок Чувствительность к шуму Стоимость и скорость Потенциальные и импульсные схемы кодирования.

Способы кодировки данных

Примеры кодов

Потенциальный NRZ код NRZ – Non Return to Zero – без возврата к нулю на битовом интервале Основным недостатком этого кода является отсутствие синхронизации. Модификацией NRZ кода и хорошим примером дифференциального кодирования является NRZ-I код

Биполярный код AMI Bipolar Alternate Mark Inversion –AMI Три уровня сигнала. Потенциал каждой последующей единицы противоположен потенциалу предыдущей. При длительной последовательности 1 рассинхронизация не происходит Спектр сигнала уже, чем у NRZ кодов Правило чередования уровней позволяет обнаруживать единичные ошибки. С применением техники скремблирования биполярные импульсные коды обладают лучшими характеристиками, чем NRZ коды. Эффективность этого кода ниже, чем NRZ: каждый единичный сигнал может нести log23=1.58 бит информации, а используется только один бит. Передатчик и приемник для биполярного метода сложнее, чем для NRZ кодов.

Биполярные импульсные коды В Манчестерском коде данные кодируются фронтами в середине битового интервала: фронт перехода от низкого потенциала к высокому соответствует 1, а фронт перехода от высокого потенциала к низкому – 0. В дифференциальном Манчестерском коде в середине битового интервала обязательно происходит изменение уровня: при передаче 0 в начале битового интервала, происходит перепад уровней, при 1 – такой перепад отсутствует. У всех биполярных импульсных кодов сигнальная скорость в два раза выше, чем у потенциальных кодов. Они требуют более широкой полосы пропускания, чем потенциальные коды. У них есть несколько существенных преимуществ: самосинхронизация отсутствие постоянной составляющей отсутствие единичных ошибок.

Потенциальный код 2B1Q Каждые два последовательных бита (2В) передаются за один битовый интервал сигнала, который может иметь четыре состояния (1Q). У этого метода сигнальная скорость в два раза ниже, чем NRZ и AMI кодов, а спектр сигнала в два раза уже. Этот метод требует более мощного передатчика и более сложного приемника, который должен различать не два уровня, а четыре.

Сигнальная скорость D = R/b , где D – сигнальная скорость, R – битовая скорость в бит/сек.,b – количество бит на единичный сигнал

Среды передачи характеристики физической среды: полоса пропускания пропускная способность задержка затухание помехоустойчивость достоверность передачи стоимость простота прокладки сложность в обслуживании.

Сравнение медного кабеля и оптоволокна оптоволокно позволяет передавать сигнал на большее расстояние без промежуточного усиления (от 30 км и более для оптоволокна и 5 км для меди) оптоволокно тоньше. оптоволокно легче: 1 км 1000 парника весит 8 000кг оптоволоконная пара аналогичной пропускной способности и длины - 100 кг. оптоволокно трудно обнаружить, оно не излучает, а следовательно найти и повредить.

Сравнение медного кабеля и оптоволокна оптоволокно инертно к электромагнитным воздействиям, радиации; ему не страшны нарушения питания, агрессивная химическая среда. оптоволокно сложнее монтировать работа с ним требует специальной подготовки инженеров, которая пока не столь распространена. подключение к оптоволокну дороже пока, чем подключение к витой паре.

Беспроводная связь Электромагнитный спектр  f = С; Если взять =1.3х10-6 и =0.17х10-6, то f будет около 30 ТГц.