Телекоммуникация, понятие информации, системы передачи информации

Одобрено кафедрой «СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТРАНСПОРТНОЙ ИНФРАСТРУКТУРОЙ» Протокол № 6 от 18 декабря 2019 г. Автор(ы): Ермакова О.П. Лекции ПО ДИСЦИПЛИНЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ СЕТИ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ Уровень ВО: Бакалавриат Форма обучения: Заочная Курс: 4 Специальность/Направление:27.03.04 Управление в технических системах (УТб) Специализация/Профиль/Магистерская программа:Системы и технические средства автоматизации и управления (УТ) Москва Лекция 1. Телекоммуникация. Понятие информации. Системы передачи информации. Измерениеколичестваинформации. Энтропия Телекоммуникация это связь на расстоянии (лат.). Коммуникация, процесс обмена информацией является необходимым условием существования живых организмов, экологических систем и человеческого общества. Общественное развитие сопровождается непрерывным развитием телекоммуникационных технологий. Особенно интенсивно телекоммуникационные технологии развиваются в последнее десятилетие. Телекоммуникационная система – совокупность технических объектов, организационных мер и субъектов, реализующие процессы соединения, передачи, доступа к информации. Для обмена информацией телекоммуникационные системы используют естественную и искусственную среду. Телекоммуникационные системы вместе со средой для передачи данных образуют телекоммуникационные сети. Телекоммуникационная сеть множество средств телекоммуникации, связанных между собой и образующих сеть определѐнной топологии (конфигурации). Телекоммуникационными сетями являются (рис.1): • телефонные сети для передачи телефонных данных (голоса); • радиосети для передачи аудиоданных; • телевизионные сети для передачи видеоданных; • цифровые (компьютерные) сети или сети передачи данных (СПД) для передачи цифровых (компьютерных) данных. Телекоммуникационные сети Телефония Радиосеть Телевизионная Цифровая (СПД) Рисунок 1 - Телекоммуникационныесети Данные в цифровых телекоммуникационных сетях формируются ввиде сообщений, имеющих определенную структуру и рассматриваемыхкак единое целое. Данные (сообщения) могут быть: • непрерывными; • дискретными. Непрерывные данные могут быть представлены в виде непрерывнойфункции времени, например, речь, звук, видео. Дискретные данныесостоят из знаков (символов). При этом, непрерывные и дискретные данные могут передаваться втелекоммуникационной сети либо в виде непрерывных, либо в видедискретных сигналов. Передача данных в телекоммуникационной сети осуществляется спомощью их физического представления – сигналов.Сигналы, как и данные, могут быть: • непрерывными; • дискретными. В компьютерных сетях для передачи данных используются следующие типы сигналов: • электрический (электрический ток); • оптический (свет); • электромагнитный(электромагнитноеполеизлучениярадиоволны). Телекоммуникационные системы, как правило, тесно взаимодействуют друг с другом и используют общие ресурсы для реализации связи. Для организации такого взаимодействия в каждом государстве и в мире, в целом, действуют специальные органы, которые регулируют порядок использования общих ресурсов, определяют общие правила взаимодействия (протоколы) телекоммуникационных систем и разрабатывают перспективные телекоммуникационные технологии. Для реализации связи на расстоянии телекоммуникационные системы используют: – системы коммутации; – системы передачи данных; – системы доступа и управления каналами передачи; – системыпреобразованияинформации. Цельсозданиятелекоммуникационныхсистем – этопередачаинформации. Известнонесколькоопределенийинформации, например, информация – этоотображениеразнообразия, котороесуществуетвоВселенной, илиинформация – этосведения, являющиесяобъектомхранения, передачиипреобразования. Информация передается и обрабатывается в большинстве случаев в виде сигналов электросвязи — электромагнитных колебаний, в изменениях параметров которых и заложена передаваемая информация. Например, речевое сообщение, представляющее собой изменение звукового давления, посредством микрофона превращается в изменяющееся соответствующим образом электрическое напряжение. В этих изменениях и будет содержаться та информация, которая была в исходном сообщении. Измерение информации по Роберту Хартли Информация – этосведения, являющиесяобъектомхранения, передачиипреобразования. Следовательно, важнейшимвопросомтеорииинформацииявляетсяустановлениемерыикачеств аинформациидляоценкипотерьприеехраненииипередаче, определениедостоверностиинформации. РобертХартлиамериканскийинженериматематик, работавшийвобластикибернетики, предложилметодизмеренияинформации. Пустьдискретноесообщение, передаваемоепоканалусвязи, состоитиз « n» элементов, каждыйизэлементовможетнаходитьсяводномиз «m» состояний. Сообщениеиз n элементовназываетсясловом, элементсообщенияназываетсясимволом, всевозможныесостояния m – алфавитом. Определимколичествосообщений, котороеможносоставитьиз «n» элементов, принимающих «m» состояний. Начнемотпростогоксложному. Имеемэлемент сообщения, который может принимать 2 состояния. Число различных состояний, которое обозначим С, из двух элементов равно С = 2 1. Пусть число элементов будет два, тогда число возможных комбинации состояний двух элементов с двумя состояниями, количество комбинаций состояний двух элементов будет равно С = 22 = 4. В случае трех элементов с двумя состояниями число комбинаций равно С= 2 3 = 8. Таким образом, результаты можно обобщить на случай «n» элементов с «m» состояниями каждого элемента С = mn. На первый взгляд кажется, что за количество информации можно принять число состояний системы, но эта величина не обладает свойством аддитивности. В 1927 году Робертом Хартли предложена логарифмическая мера количества информации I  log a m n  n log a m . (1) Такаямераколичестваинформацииудовлетворяеттребованиямаддитивно сти. Еслипринятьоснованиелогарифмаравным 2, чтоявляетсянаиболееудобнымвцифровойтехнике, посколькуиспользуютсятехническиеэлементы, имеющие, какправило, двасостояния. Такимобразом, одинэлементпередаваемого сообщениясдвумяравновероятнымисостояниямибудетиметьоднуединицуинф ормации, равную I  log2 2  1 (бит)(2) Один бит это элементарное количество информации, которое несет один элемент, принимающий два различных состояния. Измерение количества информации по Клоду Шеннону Ранее было предположено, что количество информации, передаваемое в сообщении, состоит из «n» символов, каждый символ может принимать «m» значений. Тогда количество информации равно I  n loga m (3) При этом, Роберт Хартли предполагал, что все состояния равновероятны. Клод Шеннон снял это ограничение и ввел вероятность состояния m. Чем меньше вероятность состояния, тем большее количество информации оно несет. Например, сообщение о том, что в Якутии зимой температура меньше нуля градусов несет мало информации. Но если температура больше нуля, то это несет очень большое количество информации. Таким образом, количественной мерой информации служит величина, обратная вероятности передаваемого сообщения. Пусть Хсообщение, Р(Х) вероятность этогосообщения. Тогда количество информации в сообщении будет равно 1   log a P( X ) (4) P( X ) Пусть имеется сигнал, состоящий из равновероятной последовательности нулей и единиц С = 011010001100. Количество символов n = 12. Определим количество информации в этом сообщении. Число символов со значением 0,которое обозначим ni i =1,2,3...k равно 7, число символов со значением 1 равно 5. Вероятность появления символа «0» равна 7/12, а символов «1» равна 5/12. Вероятность появления сигнала в последовательности Сравна произведению вероятностей всех символов I  log a 12 Pn   Pi (5) i 1 где индекс «i» пробегает значения от 1 до 12. При большом числе элементов можно принять, чтовероятность появления i-го уровня равна относительной частоте появления этого уровня n Pi  i . Тогда вероятность возникновения сигнала в такой n последовательности равна произведению вероятностей 7 5 5 7 5 7 7 7 5 5 7 7 7 7 5 5 12 PC              ( )  ( )   Pi  n i 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 i 1 В общем случае вероятность появления любого сигнала можно записать в виде произведения вероятностей m PC  P1  P2  ...  Pn   Pi i 1 Ni m   Pi np i (6) i 1 Подставив (6) в (4), получим среднее количество информации, приходящееся на сигналС m m i 1 i 1 I   log a PC   log a  Pi npi  n  Pi log a Pi (7) Формула (7) получена в 1948 году и получила название формулы Шеннона. Нетрудно заметить, что формула Хартли (1) является частным случаем формулы Шеннона при одинаковой вероятности всех состояний 1 1 I  n  m  (  log a )  n log a m (8) m m Пусть сообщение состоит из n =7 символов, каждый символ имеет два состояния, m=2. Определим количество информации, приходящее на одинсимвол, если вероятность появления символа «0»=3/4, вероятность появления символа «1» равна 1/4. Подставляя в формулу (7) вероятности символов «0» и «1» и суммируя, получим количество информации в битах m 3 3 1 1 I  n  Pi log a Pi  7(  log 2   log 2 )  5,67 4 4 4 4 i 1 Определим, какое количество информации в битах содержится в сообщении, передаваемом в июне и содержащем информацию, что завтра будет дождь. Вероятности выпадениядождя в июне и его отсутствии равны 1 2 и, подставляя эти значения в формулу (8), получим 1 I  log2 2  1 2 Определим количество информации в сообщении, содержащем информацию, что 1 июня будет снег. Вероятность выпадения снега летом по статистическим данным происходит в среднем одинраз за 100 лет. Примем, 1 что вероятность выпадения снега, тогда вероятность, что снега летом не 100 99 будет равна . Подставив численные значения вероятностей в формулу 100 (7), получим количество информации в этом 2 1 1 99 99 I    Pi log 2 Pi    log 2   log 2  0,008 бит. 100 100 100 100 i 1 Приведенный пример показывает, что количество информации 0,008 является средним на одно сообщение. Если будет передано сообщение о выпадении снега, то оно будет содержать очень большое количество информации 0,008. Но это событие бывает один раз в 100 лет, 99 лет будет передаваться сообщение, содержащее очень мало информации. Энтропия сообщения В теории информации энтропия выражает меру неопределенностисообщения или сигнала. Энтропия – это мера недостатка информацииосостоянии источника информации. С наступлением информации энтропиясистемы снижается. Энтропия одного сообщения численно совпадает сколичеством информации и обозначаетсяH 2 H  I  n  Pi log 2 Pi (9) i 1 Как следует из формулы (9),энтропия равна среднемуколичеству информации, приходящейся на один символ. Изменение энтропиисистемы после получения информации равно количеству информации.Чем больше энтропия системы, тем больше ее информативность. Информативность источника сообщения это энтропия, приходящаяся на одинсимвол сообщения m I H     Pi log a Pi (10) n i 1 Энтропия обладает следующими свойствами: – энтропия вещественна и неотрицательна; – энтропия детерминированных сообщений (заранее известных) равна нулю,если заранее известно, какое будет событие, его вероятность равна единице инеопределенности в системе не существует; – энтропия максимальна, если все события равновероятны. Энтропия бинарных сообщений Бинарные сообщения состоят из элементов с двумя состояниями. ПустьХ1это первое состояние с вероятностью Р1, а Х2второе состояние с вероятностью Р2. Очевидно, что Р2 = 1- Р1. Для таких сообщений энтропия равна 2 H    Pi log 2 Pi  [ P1 log 2 P1  (1  P1 ) log 2 (1  P1 )] (11) i 1 Определим значение вероятностей Р1и Р2 при которых энтропиямаксимальна. Для этого продифференцируем выражение (11) и, 1 приравняв кнулю, определим значение вероятности P1  P2  . 2 1 1 1 1 H max   log 2  log 2  1 2 2 2 2 Один бит – это энтропия двух равновероятных событий. Основнымнедостатком изложенных методов расчета количества информации является то,что не учитывается ее смысловое содержание. Максимум 1 энтропии имеетместо при P  , когда ситуация является неопределенной в 2 максимальнойстепени. При P1  0 или P2  1, что соответствует передаче одного сообщения X 1 или X 2 неопределенность системы отсутствует. В этих случаях энтропияравнанулю. Среднееколичествоинформации,содержащееся в последовательности их n сообщений, равно (12) I (n)  n  H (n) . Отсюда следует, что количество передаваемой информации можно увеличитьне только за счет числа сообщений, но и путем повышения энтропииисточника, то есть информационной емкости его сообщения. Обобщаярезультаты, можно сформулировать основные свойства энтропии источника независимых сообщений: – энтропия величина всегда положительная, так как 0  P(ai )  1 ; 1 – при равновероятных сообщениях, когда P(a1 )  P(a2 )  ... P(am )  m энтропия максимальна и равна m 1 H max (a)  H 0 (a)    log a m  log a m (13) i 1 m – энтропия равняется нулю лишь в том случае, когда все вероятности P(ai ) равны нулю, за исключением одной, величина которой равна единице; – энтропия нескольких независимых источников равна сумме энтропий этихисточников H (a, b,..., r )  H (a)  H (b)  ...  H (r ) В реальных условиях картина усложняется из-за наличия статистическихсвязей между сообщениями. Примером может служить обычный текст, гдепоявление той или иной буквы зависит от предыдущей. После сочетания двухсогласных букв вероятность появления гласной гораздо больше, чем еще однойсогласной. Такие статистические связи приводят к уменьшению информации,приходящейся на один символ. Лекция 2. Сигналы для передачи информации и их характеристики Для передачи сообщений от источника к получателю используют физические процессы, например звуковые и электромагнитные волны, ток. Физический процесс, отображающий сообщение, называется сигналом. При этом, непрерывные и дискретные данные могут передаваться втелекоммуникационной сети либо в виде непрерывных, либо в видедискретных сигналов. По своей природе сигналы могут быть электрическими, световыми, звуковыми. Для передачи электрических и оптических сигналов применяютсякабельные линии связи соответственно: • электрические (ЭЛС); • волоконно-оптические (ВОЛС). Передача электромагнитных сигналов осуществляется черезрадиолинии (РЛС) и спутниковые линии связи (СЛС) (рис.2). Типы сигналов Электрический Оптический ВОЛС ЭЛС Кабельные Электромагнитный РЛС СЛС Беспроводные Линия связи Рисунок 2 Любой сигнал является функцией времени x(t). Взависимости от области определения и области возможных значений этой функции различают следующие виды сигналов:  непрерывные по уровню и по времени;  непрерывные по уровню и дискретные по времени;  дискретные (квантованные) по уровню и непрерывные по времени;  дискретные по уровню и по времени. Сигналы первого вида, называемые непрерывными, задаются на конечном или бесконечном временном интервале и могут принимать любые значения в некотором диапазоне. Примером таких сигналов являются сигналы на выходах микрофона, датчиков температуры, давления, положения и т. п. Являясь электрическими моделями физических величин, такие сигналы часто называются аналоговыми. Сигналывтороговида (рис.3)задаютсявопределенныедискретныемоментывремениимогутпринимать любыезначенияизнекоторого диапазона. Ихможнополучитьизнепрерывныхсигналовпутемвзятияотсчетоввопределенн ыемоменты. Этопреобразованиеназываетсядискретизациейво времени. Дискретизация по времени заключается в том, что плавная зависимость процесса во времени заменяется отдельными отсчетами, совпадающими с точками на этой плавной зависимости. Дискретизация по времени – переход от непрерывной функции (сплошная кривая y(t) на графике) к решетчатой – точки y1, y2, y3... Рисунок 3 - Сигнал второго вида Промежуток времени между двумя соседними отсчетами называется шагом дискретизации ТЦ. Шаг дискретизации может быть как постоянным, так и переменным. Обычно его значение выбирают, исходя из допустимой погрешности при восстановлении непрерывного сигнала по конечному числу его отсчетов. Выбор величины ТЦ зависит от плавности кривой. Чем плавнее кривая y(t), тем больше можно выбирать ТЦ.Чем меньше ТЦ, тем экономнее процесс дискретизации с точки зрения количества информации. Выбрать ТЦ можно на основе частотного спектра процесса y(t). Частотный спектр – разложение кривой y(t) в ряд Фурье, т.е. в гармонический ряд. Этот процесс представляется в виде суммы синусоид или косинусоид с разной частотой и амплитудой: где Ak, Bk – амплитуды гармоник, fk – частоты гармоник. Сигналы третьего вида (рис.4), называемые квантованными по уровню, задаются на некотором временном интервале и характеризуются тем, что принимают только вполне определенные дискретные значения. Их можно получить из непрерывных сигналов, применяя к ним операцию квантования по уровню. В результате этой операции непрерывный сигнал заменяется ступенчатой функцией.расстояние между двумя соседними разрешенными уровнями называется шагом квантования  . Шаг квантования может быть как постоянным, так и переменным. Его обычно выбирают из условия обеспечения требуемой точности восстановления непрерывного сигнала из квантованного. Рисунок 4 - Сигнал третьего вида Чем меньше ступеньки, тем точнее квантование, тем больше количества ступеней. Каждая ступенька – уровень квантования. Число уровней квантования N связано с  - шагом квантования. Вчислителе – диапазон квантования (Ymax - Ymin). Диапазон выбирается в зависимости от целесообразности. Обратное соотношение  и N: При квантовании по уровню всегда существует ошибка квантования. Чем меньше, тем меньше ошибка. - ошибка квантования. Характер зависимости (х) – пилообразный (рис.2).Ошибка квантования минимальна, если зависимость (х) симметричная относительно оси x .Тогда связь max и : max ≤ Δ/2 В зависимости от того, какая в сообщении допустима ошибка, выбирается и . Может быть: - Абсолютная ошибка  - имеет размерность - Приведенная ошибка  - не имеет размерности.  и  могут существовать в виде максимального и среднеквадратичного значения. Максимальное значение – наиболее жесткая оценка ошибки. Вероятность иметь максимальное значение практически равна нулю. Удобнее использовать среднеквадратичное значение.Если произвести расчет, тоCК = 0,58 MAX Среднеквадратичное значение наиболее вероятно и равно приблизительно 1 максимального значения CК = 0,58 2 Квантование по уровню – это разновидность кодирования, преобразования аналоговой величины в код. Другое название – аналого-цифровое преобразование (АЦП). Сигналы четвертого вида, называемые дискретными, задаются в определенные дискретные моменты и принимают определенные дискретные значения. Их можно получить, например, из непрерывных сигналов, осуществляя операции дискретизации по времени и квантования по уровню. Такие сигналы легко представить в цифровой форме, т. е. в виде чисел с конечным числом разрядов. По этой причине их часто называют цифровыми. Основными параметрами сигналов с точки зрения их передачи по каналу связи являются: 1. Динамический диапазонаDС – отношение наибольшей мгновенной мощности сигнала к наименьшей мощности при заданном качестве передачи, измеряемое в децибелах P D C  10 lg max ; P min 2. Длительность сигналаТС– интервал времени, в пределах которого сигнал существует; 3. Ширина спектраFС – характеризует скорость изменения сигнала внутри интервала его существования; 4. Объем сигнала VC - определяется как произведение времени существования сигналаTС, ширины спектраFСи динамического диапазона DС. VC  TC  FC  DC . Лекция 3. Каналы связи и их характеристики. Линия связи– физическая среда, по которой передаютсяинформационные сигналы, формируемые специальными техническимисредствами,относящимися к линейному оборудованию (передатчики,приемники, усилители и т.п.). Линию связи часто рассматривают каксовокупность физических цепей и технических средств, имеющих общиелинейные сооружения, устройства их обслуживания и одну и ту же средураспространения. Сигнал, передаваемый в линии связи, называетсялинейным (от слова линия). Линии связи можно разбить на 2 класса ( рис.2): • кабельные (электрические и волоконно-оптические линии связи); • беспроводные (радиолинии). На основе линий связи строятся каналы связи. Канал связи представляет собой совокупность одной или несколькихлиний связи и каналообразующего оборудования, обеспечивающихпередачу данных между взаимодействующими абонентами в видефизических сигналов, соответствующих типу линии связи. Канал связи может состоять из нескольких последовательных линийсвязи, образуя составной канал. В тоже время, в одной линии связи, как будет показано ниже, может бытьсформировано несколько каналов связи, обеспечивающих одновременнуюпередачу данных между несколькими парами абонентов. Таким образом, канал связи — система технических средств и среда распространения сигналов для передачи сообщений от источника к получателю и наоборот. Каналы связи можно классифицировать по различным признакам: 1.По типу линий связи: проводные; линии электропередачи; беспроводные. Кпроводным каналам передачи данных относят каналы на оптических и медных линиях связи. Медные каналы могут быть представлены коаксиальными кабелями и витыми парами проводов. К беспроводным относят радио- и инфракрасные каналы. 2. По характеру сигналов: непрерывные(аналоговые) дискретные (цифровые); дискретно-непрерывные (сигналы на входе системы дискретные, а на выходе непрерывные, и наоборот). В аналоговых каналах передачи данных обычно используют частотноеразделениесигналов (FDM), а для согласования параметров среды и сигналов применяют модуляцию. Для цифровых каналов передачиданных характерно временное мультиплексирование, т.е. разделение каналов по времени (TDM). 3. По помехозащищенности: каналы без помех; с помехами. 4.По направлению передачисимплексные — то есть допускающие передачу данных только в одном направлении, пример — радиотрансляция, телевидение;полудуплексные — то есть допускающие передачу данных в обоих направлениях поочерѐдно, пример — рации;дуплексные — то есть допускающие передачу данных в обоих направлениях одновременно, пример — телефон. Среды передачи данных (и соответственно каналы передачи данных) могут быть коммутируемыми (общего пользования) или выделенными. Канал общего пользования попеременно используется для соединения разных узлов. Выделенный канал монопольно используется одной организацией и обслуживает соединение двух определенных ЛВС или двух узлов коммутации. Виртуальным каналом называют логическое соединение узлов в отличие от физического соединения. С помощью виртуальных каналов реализуют коммутацию пакетов или сообщений. Независимо от типа канала можно привести общие параметры каналов связи: 1.Емкость канала ( VK )определяется как произведение времени использования канала Tк, ширины спектра частот, пропускаемых каналом Fки динамического диапазона Dк., который характеризует способность канала передавать различные уровни сигналов VK  TK  FK  DK Для согласования сигнала с каналом связи необходимо выполнения следующего условия VK  VC , TK  TC , FK  FC , DK  DC . 2.Скорость передачи информации – среднее количество информации, передаваемое в единицу времени. 3.Пропускная способность канала связи( C K ) – наибольшая теоретически достижимая скорость передачи информации при условии, что погрешность не превосходит заданной величины. 4. Энтропия канала связи ( H K ) -количество разрядов, которое может быть передано по данному каналу связи. 5. Полоса пропускания частотканала связи (Fк) – рабочий диапазон частот. 6. Перекрываемое затухание(L) – то ослабление энергии сигнала, которое допустимо для нормальной работы канала связи. Показывает насколько мощность принимаемого сигнала меньше мощности отправляемого сигнала. От затухания зависит дальность действия канала связи. где РИСТ – мощность источника (передатчика); РПР– мощность приемника – минимальная мощность сигнала, при котором приемник еще работает (порог чувствительности приемника). Аналоговые каналы передачи Типичным и наиболее распространенным типоманалоговых каналов передачи данных являются телефонные каналы общего пользования (каналы тональной частоты). В каналах тональной частоты полоса пропускания составляет 0,3...3,4 кГц, что соответствует спектру человеческой речи. Канал тональной частоты (ТЧ) является единицей измерения емкости систем передачи и используется для передачи телефонных сигналов, а также сигналов данных, факсимильной и телеграфной связи. Характеристики канала ТЧ нормируются рекомендациями МСЭ -Т серии М. В нашей стране требования МСЭ-Т уточняют "Нормы на электрические параметры каналов ТЧ магистральной и внутризоновых первичных сетей", введенные в действие приказом Министерства связи № 43 от 15.04.96. Рассмотрим основные характеристики канала ТЧ: 1.Входное и выходное сопротивления канала ТЧ равны 600 Ом. 2. Отклонение входного и выходного сопротивлений от номинального значения оценивается коэффициентом отражения или затуханием несогласованности (отражения). Его значение не должно превышать 10%. 3.Остаточное затухание канала. Это есть величина, равная разности суммы затуханий и суммы усилений в канале: Остаточное затухание канала ТЧ составляет 7 дБ. 4.Максимальное отклонение во времени на одном транзитном участке не должно превышать 2,2 дБ с вероятностью 0,95. 5. Эффективно передаваемая полоса частот канала ТЧ - полоса, на крайних частотах которой (0,3 и 3,4 кГц) остаточное затухание на 8,7 дБ превышает остаточное затухание на частоте 800 Гц. 6. Коэффициент нелинейных искажений канала ТЧ на одном транзитном участке не должен превышать 1,5% (1% по третьей гармонике) при номинальном уровне передачи тока частотой 800 Гц. 7. Средняя величина псофометрического (взвешенного) напряжения помех в канале в течение любого часа на одном переприемном участке длиной 2500 км не должна превышать 1,1 мВ. Передача сигналов в аналоговой форме (ТВ, многоканальная телефония) обычно осуществляется с применением частотной модуляции (ЧМ), требующей по сравнению с амплитудной модуляцией существенно меньшей мощности передатчика, что особенно важно для спутниковых систем. Сигналы, дискретные по природе (телеграфия, данные), передаются по аналоговым каналам методом вторичного уплотнения, неэффективным с точки зрения использования пропускной способности канала. Преимуществом аналоговой передачи является более простое оборудование, особенно при передаче ТВ-сигналов. Цифровые каналы передачи. Импульсно-кодовая модуляция Передача и обработка сигналов в цифровой форме имеет следующие существенные преимущества перед передачей и обработкой аналоговых сигналов. 1.Унификация различных видов передаваемой информации, это позволяет, в свою очередь, унифицировать оборудование передачи, обработки и хранения информации. 2. Компьютеризация телекоммуникационного оборудования, которая принципиально невозможна при использовании аналоговых сигналов. В условиях быстро нарастающего информационного обмена без компьютеризации невозможно обеспечить передачу и обработку информации с необходимым высоким качеством. 3. Интеграция систем передачи информации и систем коммутации создание полностью цифровых телекоммуникационных сетей. Такие сети обладают высокой надежностью и эффективностью, поскольку позволяют организовывать альтернативные маршруты передачи и выравнивать сетевой трафик. 4. Высокая помехоустойчивость. Представление информации в цифровой форме, позволяет осуществлять регенерацию (восстановление) символов сигналов при передаче их по линии связи, что резко снижает влияние помех и искажений на качество передачи информации. Суть регенерации заключается в замене принятого искаженного сигнала на заново генерированный сигнал. При этом в частности, обеспечивается возможность использования линий связи, на которых, из-за высокого уровня помех, аналоговые системы передачи применяться не могут. 5. Стабильность параметров каналов. Стабильность и идентичность параметров каналов (остаточного затухания, частотной и амплитудной характеристик и других) определяются в основном устройствами обработки сигналов в аналоговой форме. Поскольку такие устройства, как будет показано далее, составляют незначительную часть оборудования цифровых телекоммуникационных систем (ЦТС), стабильность параметров каналов таких систем значительно выше, чем аналоговых. Этому также способствует отсутствие в ЦТС с ВРК влияния загрузки системы на параметры отдельных каналов. Цифровые методы передачи весьма эффективны при работе по оптическим линиям, позволяющим организовывать передачу высокоскоростных потоков информации с относительно редким расположением промежуточных станций. Для передачи аналоговых сигналов по цифровым каналам связи применяют импульсно-кодовую модуляцию (ИКМ или PCM — PulseCodeModulation). Этот вид модуляции сводится к измерению амплитуды аналогового сигнала в моменты времени, отстоящие друг от друга на и к кодированию этих амплитуд цифровым кодом. Согласно теореме Котельникова величину определяют следующим образом: для неискаженной передачи должно быть не менее двух отсчетов на период колебаний, соответствующий высшей составляющей в частотном спектре сигнала. Так, в телефонных каналах требуемую пропускную способность определяют, исходя из условия обеспечения передачи голоса с частотным диапазоном до 4 кГц при кодировании восемью (или семью) битами. Отсюда получаем, что частота отсчетов (передачи байтов) равна 8 кГц, т.е. биты передаются с частотой 64 кГц (или 56 кГц при семибитовой кодировке). Импульсно-кодовая модуляция Рассмотрим последовательное преобразование аналоговых сигналов в цифровые, пригодные для передачи по линии связи в многоканальных системах. Для простоты будем считать, что имеется всего два первичных (исходных) сигнала, которые следует передать по одной и той же линии связи. Графики рис.3,а показывают изменение напряжений сигналов во времени. На этих графиках узкими импульсами отмечены мгновенные значения сигналов, взятые с периодом дискретизацииТд. Период дискретизации относительно невелик, т.е. между соседними мгновенными значениями изменение сигнала происходит плавно. Последовательности мгновенных значений для различных сигналов смещены друг относительно друга на величину Тк, называемую канальным интервалом. Наличие канального интервала позволяет на приемном конце осуществить временное разделение канальных сигналов. Операцию квантованиясигналов иллюстрирует рисунок 3,6. Дискретные мгновенные значения первичных сигналов, (перенесенные из графиков рисунок 3,а) округляются до разрешенных значений (в нашем случае это целые числа 0,1,2,...). Под графиком приведены округленные значения в двоичных числах. Операция объединения мгновенных значений различных сигналов является операцией формирования группового сигнала. Главное требование, которому должен удовлетворять групповой сигнал, является требование возможности его обратного преобразования — разделения на исходные сигналы. Формирование группового сигнала можно было бы осуществить и на последующих этапах обработки сигнала. График (рисунок 3,в) иллюстрирует операцию кодирования — замены округленных мгновенных значений соответствующими двоичными кодовыми комбинациями. На графике условно нули показаны низкими импульсами, обычно же нулям соответствует отсутствие импульса. Кодовые комбинации (кодовые слова) в данном случае четырехразрядные — число разрядов в общем случае определяется максимальным числом разрешенных значений или числом шагов квантования. Период, в течение которого передается по одному мгновенному значению каждого канального сигнала, называется циклом передачи или кадром. Чтобы разделить принимаемый поток на циклы передачи и далее на отдельные кодовые слова, перед началом цикла передается цикловой синхросигнал. В данном случае это комбинация 1010, но в общем случае это может быть и какая-то другая, например, 0000. Во всяком случае, отличие циклового сигнала от любой другой комбинации в потоке заключается в том, что цикловой сигнал всегда периодически повторяется на одних и тех же позициях, в то время как другие комбинации в потоке случайны. Следующий этап преобразования сигнала зависит от среды его распространения (вида линии передачи). Так, например, при использовании кабеля с металлическими жилами сигнал преобразуют в так называемый код с чередованием полярности импульсов (ЧПИ). В этом коде на нулевых позициях импульсы отсутствуют, а единицы передаются импульсами чередующейся полярности, как это показано на рисунке. 3,г. Рисунок 3.Последовательность преобразования сигналов в цифровой телекоммуникационной системе на передаче На приеме сигналы претерпевают обратные преобразования. При прохождении сигнала по линии он искажается и подвергается воздействию помех. На графике (рисунок 4,а) условно показан вид такого сигнала. На графике силуэтом отмечены также исходные импульсы. Первоначальная операция на приеме — регенерация (восстановление) формы импульсов и их временных соотношений. Регенератор генерирует импульсную последовательность (рисунок 4,б) на основе информации, содержащейся в принимаемом сигнале(мгновенные значения, спектральный состав и т.д.). При этом возможны ошибки — генерация единичного импульса вместо нулевого и наоборот (на рисунке не показано). Далее сигнал преобразуется из линейного кода в двоичный (рисунок 4,в), после чего восстанавливаются мгновенные значения исходных сигналов (рисунок 4,г). Мгновенные значения, относящиеся к различным исходным сигналам, разделяются посредством временного селектора — набора ключей, каждый из которых замыкается в период прохождения соответствующего мгновенного значения. Временное объединение/разделение каналов может осуществляться и на другом этапе, например, перед преобразованием сигнала в линейный код на передаче и после преобразования из линейного кода в двоичный — на приеме. Мгновенные значения, относящиеся к данному сигналу, сглаживаются посредством фильтра нижних частот (рисунок 4,д). Восстановленные таким образом исходные сигналы поступают к принимающему абоненту. Поскольку мгновенные значения на передаче были квантованы (округлены), восстановление сигнала неизбежно сопровождается ошибками, которые являются источником, так называемых шумов квантования. Эти ошибки могут быть снижены до приемлемых значений путем уменьшения шагов квантования. Правда, это увеличит число разрешенных уровней и, следовательно, потребует передачи при прочих равных условиях большего объема информации. Рисунок 4.- Последовательность преобразования Лекция 4. Способы многоканальной передачи сигналов Передача по одному общему каналу связи как можно больше независимых сообщений, называетсяуплотнением. Общий канал связи уплотняется вторичными каналами связи. Выгода - многократное использование одной и той же аппаратуры. Существует 2 способа уплотнения каналов связи, которые основаны на использовании какого либо признака сигнала: 1. Частотное уплотнение. 2. Временное уплотнение. 3. Пространственное (Кондуктивное) уплотнение (по одному многожильному кабелю, по каждой жиле передается сообщение). Частотное уплотнение При частотном уплотнении или мультиплексировании (FDM) каждое сообщение передается на своей несущей частоте. При передаче сигналов используется амплитудная (АМ), частотная (ЧМ), фазовая (ФМ) модуляции или их модификации. Выделение сообщения на приемной стороне осуществляется с помощью полосовыхчастотных фильтров. Для обеспечения достаточного качества уплотнения к фильтрам предъявляются жесткие требования по настройке несущих частотн1, н2, …, нn. Каждый сигнал имеет свою ширину спектра Fc; и чтобы не было наложения спектров друг на друга между отдельными спектрами сигналов должен быть промежуток защитный интервал (рис.5). Рисунок 5 – Временная диаграмма частотного уплотнение каналов Таким образом, общая ширина спектра будет равна: F= nFc + (n-1)Fз. Для разделения каналов на приемной стороне используют полосовые частотные фильтры (ПЧФ). Каждый фильтр должен быть настроен на ''свой'' канал. Такой фильтр должен пропускать частоты ''своего'' спектра в интервале FС и не пропускать другие частоты. Частотное уплотнение характерно для радиовещания, телевидения. На рисунке 6 показана структурная схема частотного уплотнения. Рисунок 6- Структурная схема частотного уплотнения На передающей стороне модуляторы М1 , М2,…, Мn осуществляют АМ, ЧМ или ФМ. Каждое сообщение воздействует на синусоидальный сигнал со своей несущей частотой. Модулятор – нелинейный узел, следовательно, синусоидальный сигнал искажается. Если не устранить искажения,то сообщение будет передаваться помимо несущей частоты еще и на гармониках. Поэтому устанавливается полосовые фильтры ПФ1, ПФ2,…, ПФn. Они подавляют гармоники несущей частоты. Общий канал связи может быть кабельным или беспроводным. На приемном конце для каждого сообщения предусматривается свой полосовой фильтр (ПФ) и демодулятор (ДМ). Полосовой фильтр выделяет свое сообщение и преграждает прохождение других сообщений. Чем лучше он это делает, тем выше качество разделения сообщений. Это важно при разной интенсивности сигналов. Демодулятор или детекторпозволяет освободиться от несущего сигнала. Основное достоинство частотного уплотнения – каждый канал может функционировать независимо от остальных каналов. Недостаток – наличие полосовых фильтров, имеющих сложную технологию изготовления и настройку их характеристик. Этот недостаток частотного уплотнения устраняется при временном уплотнении каналов. Временное уплотнение Временное уплотнениеили мультиплексирование (TimeDivisionMultiplexing –TDM) заключается в поочерѐдном предоставлении взаимодействующимпользователям на небольшой промежуток времени, называемый временным слотом, всей пропускной способности канала. В качестве такого временного слота может служить интервалвремени, необходимый для передачи одного байта, кадра или пакета.Временное мультиплексирование появилось и разрабатывалось дляцифровых сетей связи. На рисунке 7 показана временная диаграмма временного уплотнения каналов. Рисунок 7 – Временная диаграмма временного уплотнения каналов Для передачи одного байтакаждой паре пользователей в строго определѐнной последовательностипредоставляется временной слот: слот 1 для передачи байта от A1 к B1,слот 2 – от A2 к B2, слот 3 – от A3 к B3, слот 4 – от A4 к B4,…, слот n от Аnк Bn.n таких слота, содержащие по одному байту для каждой пары пользователей, образуют цикл. Циклы последовательно повторяются до тех пор, пока незакончится передача данных. Если в цикле отсутствуют данные дляпередачи от пользователя Ai, то соответствующий слот i остаѐтся пустыми не может быть занят другим пользователем. Это необходимо для того,чтобы на приѐмной стороне демультиплексор (ДМП) мог корректноразделять поступающий поток байтов по номеру слота и направлятькаждый байт именно тому пользователю, которому он предназначен. Синхросигнал обеспечивает согласованную работу передатчика и приемника в канале связи. Для этого импульсы синхросигнала должны отличаться от импульсов отдельных сообщений каким-нибудь признаком (например, полярностью, амплитудой, длительностью импульса или паузы). В цифровых системах синхросигнал передается строго определенной кодовой комбинацией. Рассмотренный метод временного мультиплексирования называетсястатическим или синхронным, поскольку каждый байт от пользователейA1, A2,…, An занимает строго определѐнный слот в каждом цикле. Недостатком синхронного мультиплексированияявляется снижение реальной пропускной способности канала связи в техслучаях, когда в пределах цикла не все временные слоты заняты, причѐм, чем больше слотов не занято, тем ниже реальная пропускная способностьканала. Альтернативой синхронному временному мультиплексированиюслужит статистическое или асинхронное мультиплексирование,отличающееся тем, что слоты не привязаны строго к конкретной парепользователей. Это означает, что при отсутствии данных для передачи укакого-то пользователя, очередной слот не остаѐтся пустым, апредоставляется другому пользователю. Таким образом, за счѐтсокращения простоев реальная пропускная способность канала связиоказывается выше, чем при синхронном мультиплексировании. Для того чтобы на приѐмной стороне ДМП мог направитьпоступившие в очередном слоте данные именно тому пользователю,которому они предназначены, необходимо, чтобы эти данные имелинекоторый идентификатор (например, адрес), определяющий конкретногопользователяполучателя. Это означает, что такой метод временногомультиплексирования,используемыйнапримервАТМсетях,предполагает в качестве содержимого слота не байт, а некоторый блокданных, называемый в АТМ-сетях ячейкой и содержащий идентификаторы отправителя и получателя. На рисунке 8 показана структурная схема временного уплотнения. Рисунок 8 – Структурная схема временного уплотнения каналов На передающей стороне с помощью коммутатора выполняется поочередное подключение отдельных сообщений к общему каналу связи. Для обеспечения синхронности процесса подключения используетсяформирователь синхросигнала.Синхросигнал отличает моменты начала цикла переключения. На приемной стороне из последовательности сообщений выделяется каждое сообщение в отдельности. Выделенные сообщения и направляются по раздельным каналам. Селектор синхросигналавыбирает синхросигнал, тем самым определяя начало цикла.Приемный коммутаторв нужный момент времени подключает нужное сообщение на нужный выход.ОЗУслужит для запоминания предыдущего значения сообщения. ОЗУ хранит предыдущий отсчет между промежутками отсчетов. Особая важность – обеспечение синхронности работы предающего и приемного коммутаторов. Возможность нарушения синхронности – это недостаток временного уплотнения. Достоинство: при увеличении количества каналов аппаратура не очень усложняется. Временное уплотнение могут реализовывать разными способами, например: 1. Связь между персональными компьютерами (локальная сеть). В этом случае, для передачи сообщений каждый компьютер должен иметь узел, обеспечивающий преобразование параллельного кода в последовательный, а для приема сообщений должен быть предусмотрен преобразователь последовательного кода в параллельный. В этом случае и передающий и приемный коммутаторы представляют собой регистры сдвига. 2. Система сотовой радиосвязи. Здесь используется частотновременное уплотнение. 180 разных частот в дециметровом диапазоне волн. Лекция 5. Методы модуляции и кодирования данных Методы модуляции Передача данных осуществляется в виде физических сигналовразличной природы(электрические, оптические, радиоволны) взависимости от среды передачи. Для обеспечения качественной передачииспользуютсяразличныеспособыпреобразованияпредставляемых в виде непрерывных или дискретных первичных сигналов,в линейные физические сигналы(непрерывные или дискретные),передаваемые по линии связи. Процесс преобразования непрерывных сигналов и их представление ввиде физических сигналов для качественной передачи по каналам связиназывается модуляцией. Модуляция может осуществляться: • наосновенепрерывного(аналогового)высокочастотногосинусоидального сигнала, называемого несущей (аналоговая модуляция); • на основе дискретного (цифрового) сигнала в виде импульсов(импульсная или цифровая модуляция). Процесс преобразования дискретных данных, представляемыхдискретными первичными сигналами, в физические линейные сигналы(непрерывные или дискретные), передаваемые по каналу (линии) связи,называется физическим кодированием. Основные типы физического кодирования • на основе непрерывного (аналогового) синусоидального несущегосигнала (манипуляция); • на основе последовательности прямоугольных импульсов(цифровое кодирование). Аналоговаямодуляция–преобразованиенепрерывногонизкочастотного сигналаx(t)внепрерывныйвысокочастотный сигнал y(t), называемый несущей и обладающий болеевысокими характеристиками в отношении дальности передачи изатухания. Аналоговая модуляция может быть реализована двумяспособами: 1) амплитудная модуляция, при которой амплитуда высокочастотного сигнала y(t)изменяется в соответствии с исходнойфункцией x(t): огибающая амплитудынесущей повторяет форму исходной функции x(t); 2) частотная модуляция, при которой в соответствии сисходной функцией x(t)изменяется частота несущей – чем большезначение x(t), тем больше частота несущей y(t). Аналоговая модуляция используется в радиовещании при работемножества радиостанций в одной общей среде передачи (радиоэфире):амплитудная модуляция для работы радиостанций в АМдиапазонеичастотнаямодуляция для работы радиостанций в FM-диапазоне. Процесс представления дискретных (цифровых) данных в виденепрерывного высокочастотного синусоидального сигнала (несущей) посвоей сути является аналоговой модуляцией дискретных данных. Однако,для того чтобы его отличать от аналоговой модуляции непрерывныхданных, такое преобразование часто называют манипуляцией. Манипуляция применяется для передачи дискретных данных(сигналов) в виде непрерывных сигналов по каналам с узкой полосойчастот, например по телефонным каналам, имеющим ограниченнуюполосу пропускания в 3100 Гц, и реализуется с помощью модемов. Компьютерные данные– двоичные«1» и«0»– обычноизображаются в виде потенциалов соответственно высокого и низкого уровней (рис.9,а). Такой метод представления двоичных данныхявляется наиболее естественным и простым и называется потенциальным кодированием. Время, затрачиваемое на передачу одного бита («1» или «0»),называется битовым интервалом. Длительность битового интервала tb связана с пропускной способностью канала связи C (скоростью передачи) зависимостью: 1 tb  C При потенциальном кодировании скорость модуляции B численносовпадает с пропускной способностью канала: B [бод]= C [бит/с]. Например, для канала связи с пропускной способностью 10 Мбит/сдлительность битового интервала - 100 нс, а скорость модуляции - 10 Мбод. Для передачи двоичных данных могут использоваться следующиеметоды манипуляции: • амплитудная манипуляция - дляпредставления «1» и «0» используются разные уровни амплитудывысокочастотной несущей (рис.9,б). Из-за низкой помехоустойчивостиэтот метод обычно применяется в сочетании с другими методами,например с фазовой манипуляцией; • частотная манипуляция – значения«0» и «1» передаются синусоидами с различной частотой (рис.9,в); этотметод прост в реализации и обычно применяется в низкоскоростныхмодемах; • фазовая манипуляция - значениям «0» и«1» соответствуют синусоиды одинаковой частоты и с одинаковойамплитудой, но с различной фазой, например 0 и 180 градусов (рис.9,г). а) 1 1 1 i б) i в) i г) i Рисунок 9 – Виды манипуляций Методы кодирования Существуют и используются на практике несколько способов кодирования информации с помощью электрических (оптических) сигналов. Например, в потенциальных кодах каждой цифре используемой системы счисления соответствует определенный уровень напряжения. Код без возврата к нулю На рис.10,а показан метод потенциального кодирования, называемый также кодированием без возврата к нулю – NRZ (NonReturntoZero). В этом методе высокий потенциал соответствует значению бита«1», а низкий – значению «0». Достоинства кода: 1 • низкая частота основной гармоники: f 0  Гц (С – битоваяскорость 2C передачи данных), которая меньше, чем у других методовкодирования; • наличие только двух уровней потенциала и, как следствие,простота и низкая стоимость. Недостатки: • не обладает свойством самосинхронизации: при передаче длиннойпоследовательности единиц или нулей сигнал не изменяется и возможнарассинхронизация часов приѐмника и передатчика; • наличие низкочастотной составляющей не позволяет использоватьэтот вид кодирования в каналах связи, не обеспечивающих прямогогальванического соединения между приемником и источником. По этим причинам в компьютерных сетях код NRZ в чистом виде неиспользуется. Тем не менее, используются его модификации, в которыхустраняют постоянную составляющую и отсутствие самосинхронизации. Код с возвратом к нулю Кроме потенциальных кодов в компьютерных сетях используютсяимпульсные коды, в которых данные представлены полным импульсомили же его частью – фронтом. Наиболее простым является биполярныйимпульсный код, называемый также кодированием с возвратом к нулю(ReturntoZero, RZ), в котором единица представлена импульсом однойполярности, а ноль – импульсом другой полярности (рис.10,с). Каждыйимпульс длится половину такта (битового интервала). В середине каждогобитового интервала происходит возврат к нулевому потенциалу. Достоинство: • обладает свойством самосинхронизации – возврат в серединекаждого битового интервала к нулевому потенциалу служит признаком(стробом) для синхронизации часов приѐмника. Недостатки: • наличие трех уровней сигнала, что требует увеличения мощностипередатчика для обеспечения достоверности приема и, как следствие,большая стоимость реализации; • спектр сигнала шире, чем у потенциальных кодов; так, припередаче всех нулей или единиц частота основной гармоники кода будетравна С Гц, что в два раза выше основной гармоники кода NRZ. Из-за слишком широкого спектра биполярный импульсный кодиспользуется редко. Манчестерский код В локальных сетях (ЛВС Ethernet и TokenRing) до недавнеговремени применялся манчестерский код (рис.10,в), в котором длякодирования двоичных единиц и нулей используется переход сигнала всередине каждого битового интервала: • «1» кодируется переходом от высокого уровня сигнала к низкому; • «0» – обратным переходом от низкого уровня сигнала к высокому. Если данные содержат подряд несколько единиц или нулей, то вначале каждого битового интервала происходит дополнительныйслужебный переход сигнала. Достоинства: • обладает свойством самосинхронизации, так как значениепотенциала всякий раз изменяется в середине битового интервала, чтоможет служить сигналом для синхронизации приѐмника с передатчиком; • имеет только два уровня потенциала; • спектр манчестерского кода меньше, чем у биполярногоимпульсного, в среднем в 1,5 раза: основная гармоника при передачепоследовательности 1 единиц или нулей имеет частоту f 0  Гц, а припередаче чередующихся C 1 единиц и нулей она равна f 0  Гц, как и укода NRZ; 2C • нет постоянной составляющей. Недостатки: • спектр сигнала шире, чем у кода NRZ и кода AMI. 1 1 1 a) NRZ b) c) Манчестер II RZ Рисунок 10 – Кодирование информации в сетях Биполярное кодирование с альтернативной инверсией Одной из модификаций метода RZ является метод биполярногокодирования с альтернативной инверсией (BipolarAlternateMarkInversion,AMI), в котором используются три уровня потенциала – положительный,нулевой и отрицательный Двоичный «0» кодируется нулевымпотенциалом, а двоичная «1» – либо положительным потенциалом, либоотрицательным, при этом потенциал следующей единицы противоположенпотенциалу предыдущей. Достоинства: • ликвидируется проблема постоянной составляющей и отсутствиясамосинхронизации при передаче длинных последовательностей единиц,поскольку сигнал в этом случае представляет собой последовательностьразнополярных импульсов с тем же спектром, что и у кода NRZ,передающего чередующиеся нули и единицы, то есть с частотой основнойгармоникой Гц; • в целом, использование кода AMI приводит к более узкомуспектру сигнала, чем для кода NRZ, а значит и к более высокойпропускной способности канала связи, в частности, при передачечередующихся единиц и нулей частота основной гармоники Гц; • предоставляет возможность распознавать ошибочные сигналы принарушении чередования полярности сигналов; сигнал с некорректнойполярностью называется запрещенным сигналом. Недостатки: • наличие трѐх уровней сигнала, что требует увеличения мощностипередатчика; • наличие постоянной составляющей в сигнале в случае длинныхпоследовательностей нулей. Логическое кодирование Логическоекодированиепредназначенодляулучшенияпотенциальных кодов типа AMI, NRZ и направлено наликвидациюдлинныхпоследовательностейединицилинулей,приводящих к постоянному потенциалу. Для улучшения потенциальных кодов используются два способа: • избыточное кодирование; • скремблирование. Оба способа относятся к логическому, а не физическомукодированию, так как они не определяют форму сигналов. Избыточное кодирование При избыточном кодировании исходный двоичный код рассматривается как совокупность символов, представляющих собойпоследовательность нескольких битов, каждый из которых заменяетсяновым символом, содержащим большее количество бит, чем исходный. Примерами методов избыточного кодирования являются 4В/5В(используется в ЛВС FastEthernet стандартов 100Base-ТX и 100Base-FX ив сети FDDI), 5В/6В (100VG-AnyLAN), 8В/10В (10GBase-X), 64В/66В(10GBase-R и 10GBase-W). Буква «В» в названии кода означает, чтоэлементарный сигнал имеет 2 состояния (от английского binary – двоичный), а цифры указывают, какое количество бит содержится в одномсимволе исходного и результирующего кода соответственно. В частности,метод 4В/5В означает, что каждые 4 бита в исходном коде заменяются 5-юбитами в результирующем коде, то есть четырѐхбитные символыисходного кода заменяются символами, содержащими по 5 бит. Для этогоиспользуетсяспециальнаятаблицаперекодировки (табл.1),устанавливающая соответствие между исходными четырѐхбитовымисимволами и результирующими пятибитовыми символами. Таблица 2.1. Таблица перекодировки Исходныесимволы Результирующие Исходные Результирующие символы символы символы 0000 11110 1000 10010 0001 01001 1001 10011 0010 10100 1010 10110 0011 10101 1011 10111 0100 01010 1100 11010 0101 01011 1101 11011 0110 01110 1110 11100 0111 01111 1111 11101 Количество результирующих символов больше количества исходныхсимволов. Так, в коде 4В/5В результирующих символов может быть 25=32,в то время какисходных символов только 24 =16. Поэтому средирезультирующих символов можно отобрать 16 таких, любое сочетаниекоторых не содержит длинных последовательностей нулей или единиц (вхудшем случае3 нуля или8 единиц). Остальные16 символоврассматриваются как запрещенные, появление которых означает ошибку впередаваемых данных. Избыточность кода 4B/5B составляет 25% (1/4 = 0,25), поскольку на 4 информационных бита приходится 1 «лишний» избыточный бит. Это означает, что реальная пропускная способность канала будет на 25% меньше номинальной. Для обеспечения заданной пропускной способности канала передатчик должен работать с повышенной тактовой частотой. В частности, для передачи кодов 4В/5В со скоростью 100 Мбит/спередатчик должен работать с тактовой частотой 125 МГц. При этом спектр сигнала увеличивается по сравнению со случаем, когда передается не избыточный код. Тем не менее, спектр избыточного кода меньше спектра манчестерского кода, что оправдывает использование логического кодирования. Достоинства: • код становится самосинхронизирующимся, так как прерываются длинные последовательности нулей и единиц; • исчезает постоянная составляющая, а значит, сужается спектр сигнала; • появляется возможность обнаружения ошибок за счѐт запрещѐнных символов; • простая реализация в виде таблицы перекодировки. Недостатки: • уменьшается полезная пропускная способность канала связи, так как часть пропускной способности тратится на передачу избыточных бит; • дополнительные временные затраты в узлах сети на реализацию логического кодирования. В сети FastEthernet стандарта 100Base-Т4 используется метод логического кодирования 8В/6Т с тремя состояниями результирующего сигнала, в котором для кодирования 8 бит (В) исходного сообщения используется код из 6 троичных (Т) символов, имеющих 3 состояния. Количество избыточных, то есть запрещѐнных кодов: 36 –28 =729–256=473. Скремблирование Скремблирование состоит в преобразовании исходного двоичного кода по заданному алгоритму, позволяющему исключить длинные последовательности нулей или единиц. Технические или программныесредства, реализующие заданный алгоритм, называются скремблерами(scramble– свалка, беспорядочная сборка). На приѐмной сторонедескремблер восстанавливает исходный двоичный код. В качестве алгоритма преобразования может служить соотношение: Bi = Ai⊕Bi 3⊕Bi 5 (i = 1, 2,…), где Ai, Bi – значения i-го разряда соответственно исходного ирезультирующего кода; Bi 3 и Bi 5 – значения соответственно (i-3)-го и (i-5)-го разряда результирующего кода; ⊕ – операция исключающего ИЛИ(сложение по модулю 2). Например, для исходной последовательности А=110110000001скремблер даст следующий результирующий код: B1 = A1 = 1; B2 = A2 = 1; B3 = A3 = 0; B4 = A4 ⊕ B1 = 1 ⊕ 1 = 0; B5 = A5 ⊕ B2 = 1 ⊕ 1 = 0; B6 = A6 ⊕ B3 ⊕ B1 = 0 ⊕ 0 ⊕ 1 = 1; B7 = A7 ⊕ B4 ⊕ B2 = 0 ⊕ 0 ⊕ 1 = 1; B8 = A8 ⊕ B5 ⊕ B3 = 0 ⊕ 0 ⊕ 0 = 0; B9 = A9 ⊕ B6 ⊕ B4 = 0 ⊕ 1 ⊕ 0 = 1; B10 = A10 ⊕ B7 ⊕ B5 = 0 ⊕ 1 ⊕ 0 = 1; B11 = A11 ⊕ B8 ⊕ B6 = 0 ⊕ 0 ⊕ 1 = 1; B12 = A12 ⊕ B9 ⊕ B7 = 1 ⊕ 1 ⊕ 1 = 1 Таким образом, на выходе скремблера появится последовательностьВ=110001101111, в которой нет последовательности из шести нулей,присутствовавшей в исходном коде. Дескремблер восстанавливает исходную последовательность на основании обратного соотношения: Ci = Bi⊕Bi 3 ⊕Bi 5(i = 1, 2,…). Легко убедиться, что Ci = Аi. Различные алгоритмы скремблирования отличаются количествомслагаемых, дающих цифру результирующего кода и величиной сдвигамежду слагаемыми. Так, в сетях ISDN при передаче данных от сети кабоненту используется преобразование со сдвигами в 5 и 23 позиции, а припередаче данных от абонента в сеть – со сдвигами 18 и 23 позиции. Достоинство: • не уменьшается полезная пропускная способность канала связи,поскольку отсутствуют избыточные биты. Недостатки: • дополнительные затраты в узлах сети на реализацию алгоритмаскремблирования-дескремблирования; • не всегда удаѐтся исключить длинные последовательности нулей иединиц.