Как мы видели в предыдущем разделе2.1.4 способ представления данных существенно влияет на скорость передачи.
Ранее мы уже отмечали, что данные и сигналы могут быть представлены либо в аналоговой, либо в цифровой форме. На рисунке 2-5 показаны схемы цифровой и аналоговой передачи. При цифровой передаче данные из источника g(t) преобразуют в цифровой сигнал x(t). Данные g(t) могут быть как аналоговыми, так и цифровыми. Форму x(t) выбирают так, чтобы оптимально использовать возможности среды передачи. Например, создать канал с максимальной пропускной способностью.
Основой аналоговой передачи является непрерывный сигнал с постоянной частотой, который называют несущим сигналом. Частоту несущего сигнала выбирают, исходя из характеристик физической среды передачи. Данные передают, изменяя параметры несущего сигнала, или, как говорят в этом случае, модулируя несущий сигнал. Процесс модуляции состоит в надлежащем изменении трех основных параметров сигнала: частоты, амплитуды и фазы.
Как видно из рисунка 2-5, возможны четыре перечисленные ниже комбинации, которые все встречаются на практике:
Цифровые данные–цифровой сигнал: Оборудование для преобразования данных в цифровой форме в цифровой сигнал дешевле и проще, чем оборудование для преобразования данных в аналоговой форме в цифровой сигнал.
Аналоговые данные–цифровой сигнал: Использование сигнала в цифровой форме позволяет применять современные средства цифровой передачи, достоинства которой перед аналоговой отмечались выше.
Цифровые данные–аналоговый сигнал: Некоторые физические среды передачи, например, оптоволокно, электромагнитные поля могут передавать сигналы только в аналоговой форме.
Аналоговые данные–аналоговый сигнал: Аналоговые данные в электрической форме могут легко и дешево передаваться с помощью аналоговых сигналов. Хорошим примером этому случаю явится телефония, которую мы рассмотрим в разделе 2.5.
Теперь подробно рассмотрим каждый из этих четырех случаев.
2.2.1. Цифровые данные – Цифровые сигналы
В этом разделе мы рассмотрим представление цифровых данных с помощью сигналов в цифровой форме и то, как это представление повлияет на передачу данных.
Цифровой сигнал – это дискретная последовательность импульсов по напряжению, каждый из которых имеет ступенчатую форму. Каждый импульс – это единичный сигнал. В общем случае, данные в двоичной форме при передаче кодируются так, что один бит данных отображается в несколько единичных сигналов. В простейшем случае это соответствие имеет однозначный характер: один бит – один сигнал. В примерах, приведенных в предыдущих разделах, мы как раз имели именно этот простейший случай, когда двоичная 1 была представлена высоким потенциалом, а двоичный 0 – низким. В этом разделе мы рассмотрим разные схемы кодирования данных на физическом уровне.
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 или длина бита – это интервал времени, который нужно передатчику, чтобы испустить надлежащий единичный сигнал. 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. Как уже было отмечено в разделах 2.1.2 и 2.1.4, за одно изменение уровня сигнала можно передать несколько бит данных.
Теперь рассмотрим, какие задачи должен решать приемник при передаче. Эти задачи хорошо иллюстрирует рис. 2-4. Прежде всего, приемник должен быть строго настроен на длину бита. Он должен уметь распознавать начало и конец передачи каждого бита. Уметь распознавать уровень сигнала: низкий или высокий. На рисунке 2-4 эти задачи решаются измерением уровня сигнала в середине длины бита и сравнением результата измерения с пороговым значением. Из-за шума на линии при этом могут возникать ошибки.
Как мы уже отмечали в разделе 2.1, есть три важных фактора влияющие на правильность передачи: уровень шума, скорость передачи данных и ширина полосы пропускания канала. Есть еще один фактор, влияющий на передачу данных: это способ представления (кодировки) данных на физическом уровне. Существует много таких способов, мы рассмотрим лишь наиболее распространенные. Они показаны в таблице 2-1 и рисунке 2-6.
Таблица 2-1.
Потенциальный код NRZ
0 – высокий потенциал
1 – низкий потенциал
Биполярный код NRZI
0 – нет перепада уровня сигнала в начале битного интервала
1 – перепад уровня сигнала в начале интервала
Биполярный код AMI
0 – отсутствие сигнала
1 – положительный или отрицательный потенциал, обратный по отношению к потенциалу в предыдущий период
Манчестерский код
0 – переход с высокого на низкий потенциал в середине интервала
1 – переход с низкого на высокий потенциал в середине интервала
Потенциальный код 2B1Q
Использует 4 уровня сигналов, значение уровня определяется значением пары битов данных
Битовая скорость.
Основными критериями сравнения различных способов кодирования данных на физическом уровне являются:
Ширина спектра сигнала: Чем меньше высокочастотных составляющих в сигнале, тем уже ширина полосы пропускания может быть при передаче. Важным также является отсутствие постоянной составляющей, т.е. гармоники с постоянными не меняющимися параметрами, что 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 одинаковые биты.
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 очень 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 течении битового интервала. У импульсных кодов это значение передается перепадом (фронтом). Направление перепада с низкого на высокий или с высокого на низкий соответствует конкретному значению бита.
