Введение в новейшие телекоммуникационные технологии

Прогресс последних лет в области повышения пропускной способности каналов в заметной мере связан с развитием технологии передачи цифровых данных. Здесь нужно решить проблемы синхронизации, эффективного кодирования и надежной передачи. Чем шире импульс, тем большую энергию он несет, тем лучше отношение "сигнал/шум", но тем ниже и предельная скорость передачи. Раньше каждому двоичному разряду соответствовал импульс или перепад в кодовой последовательности. Сегодня перепад возникает лишь при смене последовательности нулей на последовательность единиц или наоборот. Цифровой метод передачи имеет целый ряд преимуществ перед аналоговым.

• Высокая надежность. Если шум ниже входного порога, его влияние не ощущается, кроме того, всегда возможна повторная посылка кода. Здесь можно избежать ухудшения отношения "сигнал-шум" в ретрансляторах.
• Отсутствие зависимости от источника информации (звук, изображение или цифровые данные).
• Возможность шифрования,что повышает безопасность передачи.
• Независимость от времени.Можно передавать не тогда, когда информация возникла, а когда готов канал.

На рис. 1.6 представлена уже не последовательность импульсов, а последовательность переходов из одного состояния в другое. При этом уровень соответствует логической <1>, а - логическому <0>.

Переключение из состояния <0> в состояние <1> и наоборот (бод) уже не соответствует передаче одного бита.

Теоретически число нулей или единиц, следующих подряд, не лимитировано. По этой причине на принимающей стороне рано или поздно возникает проблема синхронизации временных шкал передатчика и приемника.

Для решения этой проблемы существует два метода передачи данных: синхронный и асинхронный. Асинхронный метод используется для относительно низкоскоростных каналов передачи и автономного оборудования. Синхронный метод применяется в скоростных каналах и базируется на пересылке синхронизующего тактового сигнала по отдельному каналу или путем совмещения его с передаваемыми данными.

Рис. 1.6. Передача цифровых кодов по передающей линии

При наличии синхронизации приемника и передатчика можно допустить более длинные последовательности нулей или единиц, что способствует повышению пропускной способности.

Типичный кадр данных в асинхронном канале начинается со стартового бита, за которым следует 8 битов данных. Завершается такой кадр одним или двумя стоп-битами. Стартовый бит имеет полярность, противоположную пассивному состоянию линии, и переводит приемник в активное состояние. Пример передачи такого кадра показан на рис. 1.7.

Рис. 1.7. Пример передачи кадра в асинхронном режиме

Начальный и стоп-биты на каждый байт данных снижают пропускную способность канала и по этой причине применяются только для низких скоростей обмена. Увеличение же длины блока данных приводит к ужесточению требований к точности синхронизации. При использовании синхронного метода передачи необходимы специальные меры для выделения кадра в общем потоке данных. Для решения этой задачи нужна специальная сигнатура (последовательность сигналов). Если такая последовательность встречается внутри кадра, она видоизменяется путем ввода в нее двоичных нулей (bit stuffing). Синхронный приемник нуждается в синхронизирующем сигнале, передаваемом передатчиком. Обычно это реализуется путем введения определенного вида кодирования сигнала, например, биполярного кодирования. В этом случае используется три уровня сигнала: соответствует логической единице; - логическому нулю, а 0 вольт логическому нулю или единице. Пример такого типа кодирования показан на рис. 1.8.

Другой разновидностью такого рода кодирования является использование манчестерского кода. В этой схеме логической единице и нулю соответствуют не уровни напряжения, а перепады.

Так, логической единице поставлен в соответствие переход с низкого уровня на высокий, а логическому нулю - с высокого на низкий (схема NRZ - Non-Return-to-Zero). Пример представления сигнала с использованием манчестерского кода показан на рис. 1.9. Манчестерский код является одним из старейших. В нем хорошо решена проблема синхронизации, но полоса пропускания канала здесь используется неоптимально.

Рис. 1.8. Пример биполярного кодирования сигнала (схема RZ – Return-to-Zero)

Оба кода, описанные выше, требуют удвоения полосы для передачи данных. Этого можно избежать, используя схему цифрового фазирования DPLL (Digital Phase Locked Loop). Эта схема предполагает применение кодирования NRZI (Non-Return-Zero-Inverted). Здесь сигнал сначала кодируется с использованием кода NRZ и только затем последовательность преобразуется в NRZI. В процессе такого преобразования логический нуль из NRZ вызывает определенную модификацию исходного кода, в то время как логическая единица не приводит ни к каким вариациям. Здесь создаются условия, при которых количество переходов 0/1 и 1/0 в единицу времени достаточно велико, чтобы обеспечить надежную синхронизацию. Схема NRZI -кодирования с использованием DPLL проиллюстрирована на рис. 1.10.

Симметричная скрученная пара проводов с волновым сопротивлением 120 Ом обеспечивает пропускную способность 2048 Мбит/с (система кодирования hDB3, длина проводов ~100 м). Номинальное значение перепада обычно составляет 750 мВ.

Наиболее простая схема передача данных путем представления <0> и <1> с помощью двух уровней напряжения не применяется из-за того, что линия обычно используется для подачи питания на оконечное (терминальное) оборудование. Проблема может быть решена, если <0> характеризуется 0 вольт (приращение над постоянным уровнем), а <1> попеременно сигналами положительной и отрицательной полярности (AMI - Alternate Mark Inversion). Такая схема создает проблему синхронизации, когда подряд следует большое число нулей. Необходимо, чтобы было достаточное число переходов 0->1 и 1->0 в единицу времени. Существует также схема ADI (Alternate Digit Inversion), где инверсия полярности производится для каждого из передаваемых двоичных разрядов. Но эта схема менее эффективна.

Рис. 1.9.

Рис. 1.10.

По этой причине система кодирования AMI была модифицирована в hDB3 (high Density Bipolar 3). Цифра 3 указывает на максимально возможное число последовательных нулей в кодовой последовательности. AMI требует, чтобы <1> передавались попеременно сигналами противоположной полярности, так, последовательность должна быть передана как . hDB3 заменяет любую группу из 4 нулей последовательностью из 3 нулей, за которой следует нарушение последовательности отображения единиц. Таким образом, последовательность будет отображена как (возможен инверсный вариант, когда символы "+" заменяются на "-" и наоборот). Дальнейшего улучшения балансировки сигнала можно достичь, если заменить код, содержащий 4 нуля подряд, последовательностью B00V (B - обычный биполярный сигнал, V - нарушение последовательности). В США используют схему кодировки B8ZS (Bipolar with 8 Zeros Substitution), где 8 нулей кодируются как 00B0VB0V. В 1986 году ANSI принял решение о введение схемы кодирования 2B1Q (2 Binary into 1 Quaternary). При этой схеме каждая пара бит преобразуется в четверичные элементы . Код синхронизации (SW - Synchronization Word) при этом содержит 9 четверичных элементов, повторяющихся каждые 1,5 мс:

+3 +3 -3 -3 -3 +3 -3 +3 +3 (+3 соответствует +2,5 В)

В Германии используется схема кодировки 4B3T (4 двоичных разряда кодируются в 3 циклических кода).

Двоичная информация передается блоками, обычно называемыми кадрами (или пакетами). В рамках системы 2B1Q для передачи 144 Кбит/с требуется частота модуляции не менее 72 Кбод. На практике для передачи кадров и выполнения функций управления необходимо создать дополнительные виртуальные каналы. Это доводит требуемую частоту модуляции до 80 Кбод. Сводные данные по наиболее популярным схемам кодирования приведены в таблице 1.2.

Кадр содержит 120 пар бит (quats), что соответствует 240 бит, 8 кадров образуют мультикадр. Первый пакет мультикадра выделяется путем посылки Inverted Synchronization Word (ISW). В конце каждого кадра всегда присутствуют специальные биты, которые служат для целей управления (бит активации, бит холодного старта, биты состояния питания, биты управления синхронизацией и т.д.).