Кодирование передаваемой информации

Если рассмотреть сигнал 0/1 во времени, то можно увидеть приблизительно следующую картину:

Логическому нулю соответствует уровень напряжения ниже определенного значения напряжения; логической единице – выше определенного уровня напряжения. Между нулем и единицей существует некий небольшой промежуток времени – фронт сигнала, в течение которого состояние сигнала не определено.

Но представленный на рисунке вариант передачи сигнала 0/1 используется редко. Как правило, передаваемая информация подвергается кодированию, которое способствует повышению надежности передачи.

Примеры кодирования приведены на рисунке ниже: первый вариант практически совпадает с сигналом 0/1 во времени с той разницей, что производится инверсия (ноль передается высоким уровнем напряжения, 1- низким). Второй способ предполагает возврат к нулю полсе передачи каждого бита информации.

Более популярны Манчестерское и Разностное манчестерское кодирование, применяемые в технологиях Ethernet: в Манчестерском кодировании 0 передается восходящим фронтом импульса; единица – нисходящим фронтом импульса. Разностное Манчестерское кодирование ноль передает отсутствием фронта; единицу – наличием фронта.

Рассмотренные коды предусматривают непосредственную передачу в сеть цифровых двух- или трехуровневых прямоугольных импульсов. Аналоговое кодирование позволяет при переходе на широкополосную передачу существенно увеличить пропускную способность канала связи. У аналогового сигнала, в отличии от цифрового, уменьшается амплитуда, не искажая формы сигнала.

При аналоговом кодировании можно выделить амплитудную модуляцию (когда 0 и 1 единица передаются различной амплитудой), частотную (при которой 0 и 1 передаются различной частотой) и фазовую (0 и 1 передаются сдвигом фазы).

Для увеличения скорости передачи информации можно усложнять и комбинировать перечисленные способы.

Например, можно использовать сдвиг по фазе не 180 градусов, а 90, что позволит при фазовой модуляции передавать одним изменением фазы не один, а два бита.

Фазоразностная модуляция:

Фаза	Передаваемые биты
π
π /2
-π /2

А если увеличить количество фаз и добавить модуляцию амплитудой, то амплитудо-фазовая модуляция позволит передавать одним изменением фазы/амплитуды 4 бита информации.

Также для увеличения надежности используется кодирование 4b/5b, 8b/10b, 64b/66b и прочие: во избежание ситуации передачи идущих подряд одинаковых символов (нулей или единиц) каждые 4 (8, 64) бита исходной информации перекодируются по определенной таблице 5-ю (10-ю, 66-ю) битами.

Для простоты и наглядности приводится таблица перекодирования 4b/5b.

Символ	5-тиразрядн.код	Символ	5-тиразрядн.код
Молчание		простой
останов		конец кадра

 

Основные параметры кабелей

Основные параметры кабелей, определяющие их производительность, это:

• Полоса пропускания кабеля и связанное с ним затухание сигнала. Полоса пропускания – это диапазон частот, для которого затухание не превышает некоторый заранее заданный предел. То есть полоса пропускания определяет диапазон частот синусоидального сигнала, при которых этот сигнал передается по линии связи без значительных искажений.

Несложно понять, что сигнал, переданный в среду (в кабель), постепенно ослабевает, искажается и, на каком-либо расстоянии, деформируется, что делает невозможным распознавание исходно переданной информации.

Также очевидно, что при передаче на больших частотах, затухание возрастает, а расстояние передачи уменьшается.

• Помехозащищенность и обеспечиваемая им секретность передачи информации

Если передается электрический сигнал, то сильная электромагнитная помеха извне может существенно исказить сигнал вплоть до искажения передаваемых данных. Для защиты от внешних воздействий кабели экранируются. Либо, как в случае витой пары, конструкция кабеля направлена на снижение влияния помех.

Обратной стороной помехозащищённости является возможность при помощи специального оборудования уловить передаваемый по кабелю сигнал, то есть секретность передачи информации.

Коаксиальный кабель

Коаксиальный кабель помимо мощной внутренней жилы имеет внутреннюю, внешнюю изоляцию и металлическую оплетку, осуществляющую защиту от электромагнитных помех. Коаксиал характеризуется:

• высокой помехозащищенностью от внешних воздействий (за счет мощного экранирования); как следствие дает малое электромагнитное излучение вовне;
• трудно механически подключиться для несанкционированного прослушивания;
• большим допустимым расстоянием передачи данных;
• широкой, (больше, чем в случае витой пары), полосой пропускания (свыше 1ГГц).

Существуют толстые и тонкие коаксиальные кабели. Толстый (thick) - классический коаксиал толщиной около 1 см, жесткий, дорогой. Тонкий (thin) коаксиал толщиной кабеля - около 0,5 см, более гибкий, что обеспечивало большее удобство подключения, но меньшее расстояние передачи, чем у толстого за счет затухания сигнала.

Несмотря на многие достоинства, в настоящее время коаксиальные кабели в локальных сетях практически не используются. Основная причина – стоимость кабеля, а также дорогой и сложный монтаж.

Коаксиалы активно использовались в первых сетевых технологиях. В частности первые Ethernet (10Base-5) сети имели шинную топологию: на одну шину (один кабель – толстый коаксиал) подключались все устройства сети. Схема такой сети приведена на рисунке.

Толстый коаксиал (как правило, прокладывался по стенке) позволял строить сети размером до полукилометра. Если требовалось удлинение сети, применялся репитер – удлинитель-усилитель сигнала. К толстому коаксиалу, пробивая изоляцию, крепились специальные устройства – трансиверы, через которые сигнал передавался на компьютер посредством тонкого коаксиального кабеля.

Тонкий коаксиальный кабель использовался аналогично толстому с той разницей, что общая длина сети была меньше, а компьютеры соединялись напрямую посредством тонких коаксиальных кабелей (модификация Ethernet 10Base-2).

В стандарте Fast Ethernet (1995 год) коаксиальный кабель был исключен из видов используемых кабелей. Его полностью вытеснила витая пара.

Витая пара

Как видно из рисунка, витая пара в настоящее время имеет минимум 4 пары проводов перевитых с одинаковым шагом. Каждый провод имеет свой цвет. Сигнал передается разностью потенциалов на двух проводах. Возникающая помеха может существенно исказить результат передачи. За счет перекручивания этих двух проводов с равномерным шагом скрутки возникающая помеха возникает одновременно в обоих кабелях и при определении значении сигнала (как разность потенциалов) влияние помехи нивелируется.

Витая пара имеет следующие характеристики:

• гибкий и удобный для прокладки;
• простота монтажа разъемов на концах кабеля и ремонта;
• короткие линии связи (в пределах 100 метров), при больших расстояниях возможны ошибки передачи;
• используется для передачи информации на скоростях 100 Мбит/с и до 1000 Мбит/с; при скорости 1000 Мбит/с возникают технические сложности;
• существуют экранированные и неэкранированные витые пары. В настящее время наиболее популярна неэкранированная витая пара категории 5E;
• классическое применение витых пар – для создания сети с топологией «звезда».

В целом характеристики хуже, чем у других кабелей. Но, учитывая, что размер сетей масштаба офиса вполне укалывается в 100 метров от компьютера до коммутатора, а стоимость и легкость монтажа у данного типа кабеля наилучшие. Стандарты Fast Ethernet, Gigabit Ethernet и даже 10GB Ethernet в качестве среды передачи определяют неэкранированную витую пару категории 5, 5E или 6. Можно предположить, что витая пара будет продолжать активно использоваться.

Оптоволокно

В силу природы испльзуемого сигнала (света) сигнал-свет проходит по кабелю на огромные расстояния (до десятков километров) с высокой скоростью (~ 10 Гбит/с и выше) с незначительным ослаблением сигнала. Теоретически возможная полоса пропускания такого кабеля достигает величины 10¹² Гц, то есть 1000 ГГц. Также данный кабель лучше других типов передающей среды обеспечивает защиту данных от внешних помех и имеет исключительные характеристики по помехозащищенности и секретности передаваемой информации.

Оптическое волокно состоит из двух частей с различными коэффициентами преломления – сердцевины и оболочки. В зависимости от толщины сердцевины волокна оптоволокно подразделяют на многомодовое и одномодовое.

Рассмотрим прохождение сигнала в многомодовом оптоволокне:

В многомодовом оптоволокне центральное волокно имеет диаметр 62,5 мкм, диаметр внешней оболочки 125 мкм (62,5/125). Длина волны света ~0,85 мкм, наблюдается разброс длин волн ~30 – 50 нм. При размерах сердцевины, значительно больших, чем длина волны луча, возможно множество траекторий (мод), а при диаметре сердцевины близких к длине волны (одномодовое) – только одна. При передаче сигнала через многомодовое оптоволокно траектории световых лучей имеют заметный разброс, в результате форма сигнала на приемном конце кабеля искажается. Поэтому на слишком больших расстояниях многомодовое оптоволокно не применяется. Допустимая длина кабеля составляет 2 – 5 км.

Для передачи используется светодиоды, отличающиеся относительно невысокой стоимостью и длительным сроком службы приемопередатчиков.

Многомодовый – это основной тип оптоволоконного кабеля в настоящее время.

В одномодовом волокне кабель имеет диаметр центрального волокна около 1,3 мкм, передает свет с длиной волны (1,3 мкм). Таким образом, лучи проходят один и тот же путь, достигают приемника одновременно, форма сигнала почти не искажается, что позволяет передавать сигнал практически на сотню километров.

В качестве приемо-передатчиков применяются лазерные приемопередатчики, характеризующиеся относительной дороговизной, большим быстродействием, недолговечностью по сравнению со светодиодами. Быстродействие современных лазеров позволяет модулировать световой поток с частотами 10 ГГц и выше.

Классическое применение одномодового волокна – межконтинентальные кабели.

К недостаткам оптоволокна относят:

• высокая сложность монтажа (учитывая диаметр световода);
• необходимость применения специальных оптических приемников и передатчиков, преобразующих световые сигналы в электрические;
• кабель менее прочен и гибок, чем электрический кабель; плохо переносит механическое растяжение и раздавливающие воздействия;
• чувствителен к ионизирующим излучениям и резким перепадам температуры, из-за которых снижается прозрачность стекловолокна.

Радиосвязь

Одной из наиболее популярных в настоящее время является видов связей является радиосвязь.

Радиоволны - электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве со скоростью света (300 000 км/сек). Для организации радиосвязи требуется радиопередатчик, передающий сигнал, и радиоприемник, принимающий сигнал и усиливающий его. Если не используется направленная антенна, и на пути нет препятствий, радиоволны распространяются по всем направлениям равномерно и сигнал падает пропорционально квадрату расстояния между передатчиком и приемником.

Таким образом, любое беспроводное устройство должно быть оснащено приемником, передатчиком и антенной (антенна бывает встроенная).

При беспроводной передаче существует множество помех, начиная от перекрытий зданий, особенностей ландшафта, заканчивая помехами от прочей работающей техники. Если все беспроводные устройства будут использовать одну частоту, то устройства будут перекрывать друг друга. Для беспроводных устройств для повышения качества передаваемого сигнала и разделения рабочей частоты существуют свои методы кодирования информации и доступа к среде передачи.

В качестве примера можно назвать уплотнение с пространственным разделением, предполагающее, что для передачи одну и ту же частоту можно использовать одновременно в различных пространственных областях. Эта технология легла в основу сотовой связи.

Уплотнение с частотным разделением (Frequency Division Multiplexing, FDM) предполагает что в пределах одной пространственной зоны различные станции могут вещать в различных диапазонах частот.

Уплотнение с временным разделением (Time Division Multiplexing, TDM) предпалагает передачу различным устройствам в различные временные интервалы.

Уплотнение с кодовым разделением (Code Division Multiplexing, CDM) определяет, что для различных устройств информация будет передаваться закодированная своей кодовой последовательностью. Например, кодовая последовательность Баркера каждый передаваемый юит кодируется цепочкой одиннадцати битов «10110111000». Для передачи «110» в этом случае будет передано «10110111000 10110111000 01001000111»

Перечисленные способы лишь дают общее представления о механизмах реализации беспроводной связи. Беспроводная связь – тема отдельного курса.