Решение Вычислим какое количество времени занимает передача файла по каналу связи без архивации
 Скачать 1.16 Mb.
|
|
На вход устройства преобразования сигналов (УПС, физический уровень) поступает битовая последовательность ….0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0…. Требуется обеспечить скорость передачи информации N=100 Мбит/с. Приведите временные диаграммы сигналов на выходе УПС, если передача ведется двухполюсным кодом NRZ, MLT-3, Manchester, 2B1Q. Диаграммы рисовать в одном временном масштабе. Рассчитайте: Скорость модуляции линейного сигнала (B, Бод) при использовании заданных линейных кодов. Теоретически необходимую ширину полосы пропускания линии (  , Гц) для передачи сигналов в каждом случае при отсутствии шума в линии (критерий Найквиста).Рассмотрим предварительные пояснения к решению задачи. В большинстве компьютерных сетей цифровые данные передаются при помощи цифрового сигнала, т.е. последовательностью импульсов. Если для передачи данных используется более двух уровней сигнала, то один импульс сигнала может представлять не один бит, а группу бит. Возможна обратная ситуация, когда для передачи одного бита используются два импульса сигнала. При цифровой передаче используют потенциальные и импульсные коды. В потенциальных кодах для представления логических единиц и нулей используется только значение сигнала в битовый период, а фронты сигнала, формирующие законченные импульсы, во внимание не принимаются. Импульсные коды представляют логический ноль и логическую единицу перепадом потенциала определенного направления. Сигнал в виде импульсной последовательности имеет бесконечный спектр. Но основная энергия сигнала сосредоточена в диапазоне частот от нуля до частоты f=1/tо (первый лепесток амплитудного спектра сигнала), где tо – бодовый интервал, то есть длительность единичного импульса линейного сигнала. Теоретически в соответствии с пределом (условием) Найквиста при передаче последовательности прямоугольных импульсов по каналу связи, эквивалентом которого является идеальный фильтр нижних частот (ФНЧ) с прямоугольной амплитудночастотной характеристикой (АЧХ), линейной фазочастотной (ФЧХ), частотой среза fверх и при отсутствии шумов в канале, максимально допустимая скорость изменения значений дискретного сигнала (B=1/tо, Бод – скорость модуляции) равна Bmax=2fверх. Например, по каналу, эквивалентному идеальному фильтру ФНЧ, с шириной полосы пропускания от 0 до 50 Гц допускается передача последовательности двоичных импульсов с максимально допустимой скоростью В=100 Бод, то есть 100 импульсов в секунду. Указанное ограничение связано с наличием переходных процессов на выходе ФНЧ, длительность которых обратно пропорциональна удвоенной ширине полосы пропускания канала. При максимально допустимой скорости передачи сигнала бодовый интервал (длительность единичного импульса) равен времени нарастания/спада фронта сигнала на выходе канала tо=tн . Если интервал tо<tн , происходит недопустимое искажение формы сигнала на выходе канала и становится невозможно различить значения сигнала. Используемый метод представления битовой последовательности в виде импульсного сигнала (метод цифрового кодирования) должен достигать несколько целей: Обеспечивать наименьшую ширину спектра сигнала при заданной скорости передачи информации N бит/с. Минимизировать величину постоянной составляющей в спектре линейного сигнала. Обеспечивать возможность приемнику выделять из принимаемого импульсного потока колебание тактовой частоты и затем формировать из него тактовые импульсы при любой статистике битового потока на входе передатчика. Другими словами, приемник должен надежно поддерживать тактовую синхронизацию с принимаемым сигналом (clocking). Такие коды называются самосинхронизирующимися. Желательно, чтобы код позволял приемнику распознавать ошибки при регистрации импульсов, например, по недопустимому чередованию полярности. Обладать низкой стоимостью реализации. Далее будем использовать обозначения:  - длительность единичного элемента линейного сигнала (бодовый интервал) на выходе аппаратуры передачи данных (DCE – data circuit terminating equipment, NIC – network interface card, модем); - скорость модуляции (скорость передачи сигналов) линейного сигнала (Бод); - битовый интервал (время передачи одного бита); - скорость передачи информации (Бит/с)Приведем описание временных диаграмм сигналов на выходе УПС передачи для заданных линейных кодов. Потенциальный код без возврата к нулю NRZ (Non Return to Zero) Сигнал имеет два уровня потенциала: нулю соответствует нижний уровень, единице – верхний (или наоборот). Переходы могут происходить только на границе битовых интервалов. При передаче последовательности единиц сигнал не возвращается к нулю в течение битового интервала. Битовый интервал (время передачи одного бита) 0 равен бодовому интервалу (времени передачи единичного импульса сигнала) t0 . Для кода NRZ скорости модуляции (Бод) и передачи информации (Бит/с) численно равны  .  Максимальная частота основной гармоники сигнала имеет место при чередовании единиц и нулей в битовой последовательности. Частота основной гармоники равна fо=1/Тсигнала=1/2t0 =В/2=N/2 Гц (Тсигнала – период сигнала). При передаче только единиц или только нулей сигнал в линии представляет собой постоянный ток. Код MLT3 (Multi Level Transmission - 3). Код использует три уровня передачи: «-1», «0», «+1». Биту «1» соответствует обязательный переход с одного уровня сигнала на другой на границе бодового (тактового) интервала. Биту «0» соответствует отсутствие изменения уровня линейного сигнала. Битовый и бодовый временные интервалы равны. Это троичный код, для него не применяют автоматически критерий Найквиста при определении максимально допустимой скорости передачи сигнала (скорости модуляции) при заданной полосе ширины пропускания канала. Троичные коды дают более компактный спектр сигнала. При расчете ориентируемся на максимальное значение основной частоты сигнала, которая при идеальных характеристиках канала должна попадать хотя бы на границу полосы пропускания канала. При передаче последовательности единиц период изменения уровня сигнала включает четыре бита. В этом случае fо=В/4=N/4 Гц. Это максимальная основная частота сигнала в коде MLT-3. В случае чередующейся последовательности нулей и единиц основная гармоника сигнала находится на частоте fо=В/8=N/8 Гц.    Манчестерский код (Manchester) Манчестерский код относится к самосинхронизирующимся импульсным кодам и имеет два уровня, что обеспечивает хорошую помехозащищенность. Каждый такт (битовый интервал) делится на две части. Информация кодируется перепадами потенциала, происходящими в середине каждого такта. В результате на битовом интервале в обязательном порядке формируются два разнополярных импульса сигнала, то есть скорость модуляции в 2 раза больше скорости передачи информации B=2N. Единица кодируется перепадом от высокого уровня сигнала к низкому, а ноль - обратным перепадом. В начале такта может происходить служебный перепад сигнала (при передаче несколько единиц или нулей подряд). Рассмотрим частные случаи кодирования, как в предыдущих случаях.     При манчестерском кодировании обязательное изменение сигнала в середине каждого битового интервала позволяет легко выделить тактовый синхросигнал. Поэтому манчестерский код обладает хорошими самосинхронизирующимися свойствами. Сигнал не содержит постоянную составляющую, частота основной гармоники сигнала находится в интервале от fо=В/4=N/2 Гц до fо=В/2=NГц, изменяясь в зависимости от вида битового потока. Манчестерское кодирование использовалось в ранних версиях технологии Ethernet со скоростью передачи 10 Мбит/с. В настоящее время разработчики пришли к выводу, что во многих случаях рациональнее применять потенциальное кодирование, ликвидируя его недостатки с помощью, так называемого логического кодирования (логические коды 4В/5В, 8В/10В, 64В/66В, скремблирование). Код 2B1Q Это потенциальный код с четырьмя уровнями сигнала для кодирования данных. Название отражает суть кодирования – каждые два бита (2В) передаются за один такт сигналом определенного уровня (1Q). Линейный сигнал имеет четыре состояния. Другими словами, скорость передачи информации N при этом методе кодирования в два раза больше скорости модуляции В. (Замечание: если количество допустимых уровней импульсного сигнала равно степени числа 2 К=4, 8, 16 и т.п., то скорость модуляции сигнала и скорость передачи информации находятся в соотношении N(бит/с)=B*log2K, где К-число значений линейного сигнала). Кодирование 2B1Q
|