Тема 9. Методы передачи дискретных данных на физическом уровне

При передаче дискретных данных по Кс применяются два основных типа физического кодирования – на основе синусоидального несущего сигнала и на основе последовательности прямоугольных импульсов. Первый способ называется модуляцией или аналоговой модуляцией, второй – цифровым кодированием. Эти способы отличаются шириной спектра результирующего сигнала и сложностью аппаратуры, необходимой для их реализации.

В настоящее время всё чаще данные, изначально имеющие аналоговую форму (речь, телевизионное изображение), передаются по КС в дискретном виде, то есть в виде последовательности единиц и нулей. Процесс предоставления аналоговой информации в дискретной форме называется дискретной модуляцией. Термины «модуляция» и «кодирование» часто используют как синонимы.

Аналоговая модуляция

Аналоговая модуляция применяется для передачи дискретных данных по каналам с узкой полосой частот, типичным представителем которых является канал тональной частоты, предоставляемый в расположение пользователям общественных телефонных сетей. Типичная амплитудно-частотная характеристика канала тональной частоты представлена на рис. 20. Этот канал передаёт частоты в диапазоне от 300 до 3400 Гц, таким образом, его полоса пропускания равна 3100Гц. Хотя человеческий голос имеет гораздо более широкий спектр – примерно от 100Гц до 10кГц, - для приемлемого качества передачи диапазон в 3100Гц является хорошим решением. Строгое ограничение полосы пропускания тонального канала связано с использованием аппаратуры уплотнения и коммутации каналов в телефонных сетях.

Рис. 21

Устройство, которое выполняет функции модуляции несущей синусоиды на передающей стороне и демодуляции на приемной стороне, носит название модем (модулятор-демодулятор).

Методы аналоговой модуляции

Аналоговая модуляция является таким способом физического кодирования, при котором информация кодируется изменением амплитуды, частоты или фазы синусоидального сигнала несущей частоты. Основные способы аналоговой модуляции показаны на рис. 21. На диаграмме (21 а) показана последовательность бит исходной информации, представленная потенциалами высокого уровня для логической единицы и потенциалом нулевого уровня для логического нуля. Такой способ кодирования называется потенциальным кодом, который часто используется при передаче данных между блоками компьютера.

Рис. 22

При амплитудной модуляции (22, б) для логической единицы выбирается один уровень амплитуды синусоиды несущей частоты, а для логического нуля – другой. Этот способ редко используется в чистом виде на практике из-за низкой помехоустойчивости, но часто применяется в сочетании с другим видом модуляции – фазовой модуляции.

При частотной модуляции (рис.22 в) значения 0 и1 исходных данных передаются с различной частотой – f₀, f₁. Этот способ модуляции не требует сложных схем в модемах и обычно применяется в низкоскоростных модемах, работающих на скоростях 300 и 120 бит/с.

При фазовой модуляции (рисунок 22, г) значениям данных 0 и 1 соответствуют сигналы одинаковой частоты, но с различной фазой, например 0 и 180 градусов или 0, 90, 180 и 270 градусов.

В скоростных модемах часто используются комбинированные методы модуляции, как правило, амплитудная в сочетании с фазовой.

Цифровое кодирование

При цифровом кодировании дискретной информации применяют потенциальные и импульсные коды.

В потенциальных кодах представления логических единиц и нулей используется только значение потенциала сигнала, а его перепады, формирующие законченные импульсы, во внимание не принимаются. Импульсные коды позволяют представить двоичные данные либо импульсами определённой полярности, либо частью импульса – перепадом потенциала определенного направления.

Требования к методам цифрового кодирования

При использовании прямоугольных импульсов для передачи дискретной информации необходимо выбрать такой способ кодирования, который одновременно достигал бы несколько целей.

o имел при одной и той же ботовой скорости наименьшую ширину спектра результирующего сигнала;

o обеспечивал синхронизацию между передатчиком и приемником;

o обладал способностью распознавать ошибки;

o обладал низкой стоимостью реализации.

Более узкий спектр сигналов позволяет на одной и той же линии (с одной и той же полосой пропускания) добиваться более высокой скорости передачи данных. Кроме того, часто к спектру сигнала предъявляется требование отсутствия постоянной составляющей, то есть наличия постоянного тока между передатчиком и приемником. В частности, применение различных трансформаторных схем гальванической развязки препятствует прохождению постоянного тока.

Синхронизация передатчика и приёмника нужна для того, чтобы приёмник точно знал, в какой момент времени необходимо считывать новую информацию с линии связи. На больших расстояниях хорошо работает схема, основанная на отдельной тактирующей линии связи (22), так что информация снимается с линии данных только в момент прихода тактового импульса. В сетях использование этой схемы вызывает трудности из-за неоднородности характеристик проводников в кабелях. На больших расстояниях неравномерность скорости распространения сигнала может привести к тому, что тактовый импульс придет настолько позже или раньше соответствующего сигнала данных, что бит данных будет пропущен или считан повторно. Другой причиной, по которой в сетях отказываются от использования тактирующих импульсов, является экономия проводников в дорогостоящих кабелях.

Поэтому в сетях применяются так называемые самосинхронизирующиеся коды, сигналы которые несут для передатчика указания о том, в какой момент времени можно осуществлять распознавание очередного бита (или несколько бит, если код ориентирован более чем на два расстояния сигнала). Любой резкий перепад сигнала – так называемый фронт – может служить хорошим указанием для синхронизации приёмника с передатчиком.

Рис. 23

Распознавание и коррекцию искаженных данных сложно осуществить средствами физического уровня, поэтому чаще всего эту работу берут на себя протоколы, лежащие выше: канальный, сетевой, транспортный и прикладной. С другой стороны, распознавание ошибок на физическом уровне экономит время, так как приёмник не ждет полного помещения кадра в буфер, а отбраковывает его сразу при распознавании ошибочных бит в нутрии кадра.