Представление электрических сигналов в цифровой форме

Прогресс последних лет в области повышения пропускной способности каналов в заметной мере связан с развитием технологии передачи цифровых данных. Здесь встают вопросы синхронизации, эффективного кодирования и надёжной передачи. Чем шире импульс, тем больше энергия он несёт, улучшается отношение сигнал/шум, но снижается предельная скорость передачи. Ранее каждому двоичному разряду соответствовал импульс или изменение в кодовой последовательности. Сейчас изменения происходят при смене нулей на единицы или наоборот. Цифровой метод обладает многими преимуществами перед аналоговым:

• Высокая надёжность. При шуме ниже порога, его воздействие минимально, возможно повторное отправление кода.
• Отсутствие зависимости от источника информации — будь то звук, изображение или цифровые данные.
• Возможность шифрования усиливает безопасность передачи.
• Независимость от времени: передача возможна когда удобно, а не когда информация появилась.

На рисунке 2.2.1В изображена не просто последовательность импульсов, но переходы из одного состояния в другое. Уровень +V означает логическую "1", в то время как -V представляет логический "0". Переключение между "0" и "1" (бод) уже не однозначно соответствует передаче одного бита.

Рис. 2.2.1 Передача цифровых кодов по передающей линии

На практике число последовательно идущих нулей или единиц не ограничено. Это может вызвать проблемы с синхронизацией передатчика и приёмника. Есть два метода передачи данных: синхронный и асинхронный. Асинхронный метод подходит для низкоскоростных каналов и автономного оборудования. Синхронный метод используется в скоростных каналах и основан на пересылке синхронизирующего тактового сигнала или его совмещении с данными. Синхронизация позволяет работать с более длинными последовательностями нулей или единиц, что увеличивает пропускную способность. На рис. 2.2.2 показана схема канала с техникой импульсно-кодовой модуляции. Этот метод был предложен в 30-х годах 20-го века, но внедрён только в 1962 году.

Рис. 2.2.2. Система коммуникаций с использованием кодово-импульсной модуляции (pcm)

Шаг квантования в АЦП должен быть значительно меньше диапазона изменения входного сигнала. Число уровней квантования n определяется из соображений минимизации искажений сигнала и улучшения соотношения s/n. Учитывая определенные параметры (биполярность сигнала, равномерность уровня сигнала и т.д.), [S/N]db = 6n (где N - шум квантования равен S^2/12). Это говорит о том, что при 2n уровнях квантования, отношение сигнал/шум будет 6n (при n=8 это будет 48 дБ). Это подтверждает известное значение интервала между уровнями квантования в 6 дБ. Аудиосигнал может иметь динамический диапазон до 40 дБ, что создаёт определенные проблемы, решаемые логарифмическими преобразованиями (см. рис. 2.4.1).

Типичный кадр данных в асинхронном канале начинается со стартового бита, за которым идут 8 битов данных, и завершается одним или двумя стоп-битами. Стартовый бит активизирует приёмник. Пример передачи такого кадра показан на рис. 2.2.3.

Рис. 2.2.3. Пример передачи кадра в асинхронном режиме

Один из методов надёжной синхронизации - использование в приёмнике частоты, в 8 раз превышающей частоту данных. Стробирование данных может происходить приблизительно посередине битового сигнала (см. рис. 2.2.4).

Рис. 2.2.4. Схема синхронизации и стробирования с 8-кратной тактовой частотой приемника

Начальные и стоп-биты для каждого байта данных уменьшают пропускную способность канала, поэтому их используют преимущественно на низких скоростях передачи. Увеличение длины блока данных увеличивает требования к точности синхронизации. В синхронном режиме для выделения кадра используется специфическая сигнатура. Если такая последовательность встречается внутри кадра, она модифицируется добавлением двоичных нулей. Синхронный приемник требует синхронизационного сигнала от передатчика. Обычно это достигается путём использования определенного кодирования сигнала, такого как биполярное кодирование. Такое кодирование использует три уровня сигнала: +v, -v и 0 вольт. Пример такого кодирования представлен на рис. 2.2.5.

Рис. 2.2.5. Пример биполярного кодирования сигнала (схема RZ turn-to-zero)

Ещё один вид кодирования - манчестерский код. В нём не уровни напряжения, а перепады соответствуют логическим единицам и нулям. Так, переход с низкого на высокий уровень соответствует логической единице, а с высокого на низкий - логическому нулю (схема NRZ n-return-to-zero). Пример кодирования манчестерским кодом приведён на рис. 2.2.6.

Рис. 2.2.6. Кодирование сигнала манчестерским кодом

Манчестерский код не является наиболее эффективным по использованию пропускной способности канала. Оба описанных кода требуют удвоения полосы пропускания для передачи данных. Это можно избежать с помощью схемы цифровой фазовой автоподстройки частоты DPLL (Digital Phase Locked Loop). В этой схеме сначала используется кодирование NRZ, а затем преобразование в NRZI. Логический нуль из NRZ вызывает изменение кода, в то время как логическая единица не вносит изменений. Здесь создаются условия для достаточно большого количества переходов 0/1 и 1/0, что обеспечивает надёжную синхронизацию. Пример кодирования NRZI с использованием DPLL показан на рис. 2.2.7.

Рис. 2.2.7. NRZI-кодирование

Симметричная витая пара с волновым сопротивлением 120 Ом обеспечивает пропускную способность до 2048 Мбит/с (с использованием кодирования HDB3 и длиной провода около 100 м). При волновом сопротивлении 100 Ом - до 1544 Мбит/с с амплитудой сигнала 3 В и системой кодирования B8ZS. Обычное значение перепада напряжения составляет приблизительно 750 мВ.

Наиболее простая схема передачи данных, когда "0" и "1" представлены двумя уровнями напряжения, не используется из-за использования линии для подачи на терминальное оборудование. Проблема решается, когда "0" характеризуется 0 вольтами (повышение над постоянным уровнем), а "1" чередующимися сигналами положительной и отрицательной полярности (AMI - Alternate Mark Inversion). Однако, такая схема создаёт проблему синхронизации при большом количестве нулей. Для обеспечения достаточного числа переходов 0?1 и 1?0 используется схема ADI (Alternate Digit Inversion), но она менее эффективна.

Именно поэтому система кодирования AMI была модифицирована в HDB3 (High Density Bipolar 3). Число 3 указывает на максимальное количество последовательных нулей. В AMI, "1" передаётся чередующимися сигналами противоположной полярности, так последовательность 11011 кодируется как +-0+- . HDB3 заменяет любую группу из 4 нулей на последовательность из трёх нулей и одного нарушения последовательности. Например, 11000001 кодируется как +-000-0+ . В США используют схему кодирования B8ZS (Bipolar with 8 Zeros Substitution), где 8 нулей кодируются как 00b0vb0v. В 1986 году ANSI решил внедрить схему кодирования 2B1Q. При этой схеме каждая пара бит преобразуется в четверичные элементы +3, +1, -1, -3. Слово синхронизации (SW - Synchronization Word) содержит 9 четверичных элементов и повторяется каждые 1.5 мс: +3, +3, -3, -3, -3, +3, -3, +3, +3 (+3 соответствует +2.5 В).

В Германии применяется схема кодирования 4B3T. Двоичная информация передаётся блоками, такими как кадры или пакеты. 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 создаются дополнительные виртуальные каналы, увеличивая частоту модуляции до 80 кбод. Данные по популярным схемам кодирования приведены в таблице 2.2.1.

Таблица 2.2.1.

Кадр содержит 120 пар бит (quats), что соответствует 240 бит. 8 кадров образуют мультифрейм. Первый кадр мультифрейма 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.). Структура кадра выглядит следующим образом:

Кадры следуют каждые 1.5 мс. Важно контролировать отсутствие корреляции между сигналами, идущими в противоположных направлениях. В этом помогают скрэмблеры.

В классической телефонной сети для соединения с нужным клиентом применяются аппаратные коммутаторы. Если коммутатор имеет n входов и n выходов, то одновременно можно установить максимум n соединений. На практике это число всегда меньше, и клиент слышит короткие гудки. Когда комбинируют традиционный коммутатор с m-канальными мультиплексорами пакетов по времени, число одновременных соединений может достигать до m*n. Это позволяет объединить нескольких клиентов, чтобы они могли общаться друг с другом. Схема такого переключателя каналов изображена на рис. 2.2.8.

Рис. 2.2.8. Схема переключателя каналов с мультиплексированием по времени.

На пересечениях линий изображены ключи. Замыкая их, можно соединить i-й входной канал с j-м выходным. На каждой линии может быть только один замкнутый ключ. Этот вид коммутации называется TST (Time-Space-Time). Именно такие схемы преобладают в сетях ISDN сегодня. Магистральные каналы ISDN строятся в соответствии со стандартом T1.

Такая схема при числе входных и выходных каналов, равном N=1000, требует миллиона элементарных переключателей. Возможен вариант с коммутаторами с n входами и k выходами. Схема коммутатора с N=16, n=4 и k=2 представлена на рис. 2.2.9. Число элементарных переключателей в таком коммутаторе М равно: M = 2kN + k(N/n)2. При N=1000, n=50 и k=10 требуется 24 000 элементарных переключателей вместо миллиона, однако число одновременных соединений становится значительно меньше 1000.

Рис. 2.2.9. Каскадный переключатель-мультиплексор.