Дифференциальная ИКМ.

В этом варианте передаче подлежит не сам квантовый сигнал, а только приращение к предыдущему значению. И здесь уже при малых временах дискретизации особенно важна точность передачи именно малых приращений. Для кодирования приращения используется вся разрядная сетка.

Существует и вариация дифференциальной модуляции – дельта-модуляция, при которой для кодирования каждого дискретного значения сигнала (приращения) используется единственный бит, отражающий единичное изменение значения сигнала в ту или другую сторону.

На этом рассмотрение кодирования аналоговых сигналов закончим.

При цифровом кодировании дискретной информации применяются потенциальные и импульсные коды. В первом случае логические состояния определяются значением потенциала, а его перепады не учитываются. Импульсные же коды позволяют представить двоичные цифры либо импульсами определенной полярности, либо фронтом импульса – перепадом потенциала в определенном направлении.

К способу кодирования предъявляются требования, носящие противоречивый характер: минимизация спектра результирующего сигнала при отсутствии постоянной составляющей (тока между передатчиком и приемником) для повышения скорости передачи данных; получение самосинхронизирующегося кода для синхронизации работы передатчика и приемника (например, фронт или резкое изменение амплитуды несущей); способность распознавать ошибки передачи; низкая стоимость реализации. Обычно исправлением ошибок занимается канальный уровень, но если ошибка будет обнаружена на физическом уровне, то ошибочный пакет (кадр) заблокируется моментально, не дожидаясь помещения его в буфер памяти полностью.

Рассмотрим популярные методы цифрового кодирования, каждый из которых обладает своими преимуществами и недостатками (рис.4.7).

Диаграмма а – метод потенциального кодирования без возврата к нулю (NRZ).

Метод прост в реализации, позволяет хорошо распознать ошибки, но не обладает самосинхронизацией. При передаче длинной последовательности одинаковых цифр сигнал в среде передачи не меняется, что не позволяет приемнику определить моменты времени для считывания данных по входному сигналу.

Рис.4.7. Методы цифрового кодирования

В сетях применяют модификации этого кода, устраняющие отсутствие синхронизации. Одной из них является метод биполярного кодирования, с альтернативной инверсией (RZ) – диаграмма б. Для синхронизации может использоваться перепад в последовательности “единиц”. Однако длинные последовательности “нулей” чреваты утратой синхронизации. Кроме того, в этом методе используются три уровня сигнала на линии, а это требует увеличения мощности передатчика. Последнее неудобство характерно для всех кодов с числом состояний сигнала больше двух.

В локальных сетях до недавнего времени самым распространенным методом кодирования был так называемый манчестерский код (диаграмма в). Его применяют в сетях Ethernet и Token Ring. Для кодирования “нулей” в манчестерском коде используется перепад сверху вниз в середине такта, а для кодирования “единиц” – снизу вверх, т. е. отрицательный и положительный фронты, соответственно. Манчестерский код отличается хорошей самосинхронизацией (1 раз за 1 такт), нет проблем с передачей длинных последовательностей “нулей” или “единиц”.

В последующих стандартах Ethernet (начиная с Fast Ethernet) для улучшения потенциальных кодов применяется так называемый избыточный код. Формирование избыточного кода сводится к разбиению исходной последовательности битов на группы, например, по 4 бита (4В) или 8 битов (8В), и замене этих групп на другие с большим числом битов. Передача выполняется группами с увеличенным числом битов. Так формируются логические коды, например, 4В/5В и 8В/9В. Поскольку передаваемые группы содержат избыточные биты, то общее количество битовых комбинаций в них больше, чем в исходных. Так, в коде 4В/5В передаваемые группы могут содержать 32 битовых комбинации, в то время как на самом деле передать надо лишь 16 битовых комбинаций. Это позволяет исключить неподходящие комбинации, например, с большим числом нулей. Что останется после одного варианта такого исключения, показано в табл. 4.1.

Таблица 4.1

Соответствие исходных и передаваемых кодов 4В/5В

Собственно передача выполняется с помощью простого метода потенциального кодирования (даже при его чувствительности к длинным последовательностям нулей, так как код 4В/5В гарантирует отсутствие более трех нулей подряд).

Отдельного рассмотрения заслуживают способы повышения эффективности использования канала.

При кодировании и декодировании могут появиться ошибки. Возможны три причины их возникновения: ошибки кодирования (мы уже отмечали на с.32), шум в линии передачи и ошибка самого декодера, которая может появиться, например, в результате неудачной попытки исправления принятого кода, содержащего ошибку. Сумма этих видов ошибок называется канальной ошибкой. Применение цифрового кодирования, имеющего алгоритмический характер (в отличие от кодирования при тайнописи или телеграфного кода Морзе), существенно снижает вероятность появления канальной ошибки. Объясняется это тем, что цифровой сигнал может быть передан с большей скоростью и допускает уплотнение, что повышает коэффициент использования среды передачи. Кодеры телефонных систем (а сейчас практически вся телефонная сеть стала цифровой) работают со скоростью 8000 отсчетов в секунду, что вполне достаточно для аналоговых речевых сигналов полосы 4 кГц.

Кроме того, кодеры на выходе могут добавлять в канал свои сигналы для образования кодов с исправлением ошибок при декодировании. Это хорошо работает даже при использовании зашумленных каналов связи, например, спутниковых.

Повышение эффективности использования канала достигается разными способами, в частности, уже упоминавшимся на с. 27 частотным уплотнением. Согласно этому способу отведенная каналу связи полоса частот делится на логические каналы для одновременной передачи ряда сообщений. Частотное уплотнение широко применяется для объединения речевых телефонных сигналов. При ширине каждого логического канала 4000 Гц для сигнала отводится 3000 Гц, а остаток делится на две защитные полосы по 500 Гц сверху и снизу. Спектр каждого сигнала содержит все частоты, начиная с нулевой, однако все сигналы накладываются на разные несущие частоты и поэтому в частотной области не перекрываются. Но несмотря на наличие защитных полос (а от сигнала до сигнала не 500, а 1000 Гц), спектральные компоненты достаточного уровня из одного сигнала могут попадать в полосу соседнего сигнала, вызывая в нем помехи.

Другой способ повышения эффективности использования канала связи – временное уплотнение, мультиплексирование. Этот метод разделения канала передачи между несколькими источниками посредством закрепления за каждым из них определенного временного окна (интервала). Применяется как синхронное, так и асинхронное временное мультиплексирование. При синхронном временном уплотнении в любой момент времени принимающее устройство “знает”, от какого передатчика может идти посыл. Для идентификации передающего устройства при наступлении его временного окна применяются опрос и синхронизация. В процессе опроса центральное устройство опрашивает каждый передатчик при начале его временного окна, имеет ли он что передавать. Если нет – переходит к следующему передатчику, ждет наступления следующего окна, если есть - организует передачу. При синхронизации каждое передающее устройство генерирует синхроимпульс и предваряет передачу последовательностью сигналов, известной всем приемникам. В этом случае окно также может оказаться пустым.

Более сложные реализации режима синхронизации предусматривают резервирование временного окна в будущем цикле или занятие свободных окон.

При асинхронном временном уплотнении каждый передатчик отправляет сообщение по мере готовности, но сообщение снабжается “обратным адресом” для идентификации отправителя. Здесь возможны конфликтные ситуации. Для их разрешения применяются протоколы управления передачей данных.

Временное мультиплексирование и частотное уплотнение применяются в сетях передачи данных с широкополосной передачей (коаксиальный кабель может иметь полосу частот 300 МГц) и в сетях передачи данных в полосе модулирующих частот без несущей, например, в Ethernet и в большинстве учрежденческих сетей.

Вопросы для самопроверки:

1. Какие виды преобразования аналоговых сигналов для передачи по каналу связи получили широкое применение?

2. Зачем нужно квантование при ИКМ?

3. К чему приведет кодирование не в двоичной системе, а в троичной?

4. Каково главное преимущество кода Грея перед натуральным двоичным и симметричным двоичным кодами?

5. Чем лучше манчестерский код по сравнению с потенциальным кодированием без возврата к нулю и чем хуже?

6. Из чего складывается канальная ошибка?

7. Какими способами повышается эффективность использования канала?

8. В чем сходство и отличие вариантов временного уплотнения?

9. Как изменится число битовых комбинаций при формировании логического кода 7В/9В? А-8В/10В?