Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методы и средства передачи данных в автоматизированных системах. Учебное пособие
.pdf
2.2. Классификация кодов и их параметры
41
Рис. 3. Дискретизация сигнала
Амплитуда исходной непрерывной функции измеряется специаль-
ным устройством с заданным периодом, т.е. через определенные интервалы
времени. За счет изменения этого периода происходит дискретизация сигнала по времени. Чем меньше этот период времени (dt >> 0), тем точнее
происходит измерение и тем точнее представление данных.
Здесь также следует помнить, что чем меньше интервал измерения,
тем «дельта t» ближе к «dt» и тем «сумма» ближе по форме к «интегралу».
И наоборот.
Каждое измерение аналогового сигнала является для нас элементом
массива в виде числа с определенной разрядностью. Здесь является важным размер памяти, выделяемый для хранения данных. В современных системах данные редко представляются числами с разрядностью ниже 32 или
даже 64 бита. И хотя такие переменные позволяют хранить достаточно
большие числа по своей десятичной разрядности, но все равно являются
некоторыми ограничителями точности по сравнению с бесконечно точным
аналоговым сигналом.
После измерения «в аналоговом канале» данные передаются уже в
цифровом виде в ЭВМ, где к ним применяются стандартные методы и алгоритмы обработки данных.
Глава 2. Кодирование и представление данных
42
При передаче по цифровым каналам демодулированного и оцифро-
ванного сигнала также могут применяться свои собственные методы кодирования информации, например B8ZS, 2В1Q или Манчестера.
С другой стороны, когда нужно передать цифровые коды в аналоговый канал связи, на приемной стороне, специальная аппаратура преобразовывает бинарные данные обратно в аналоговые сигналы, выдавая уже колебания аналогового сигнала заданной амплитуды, частоты и фазы. Такая
аппаратура именуется цифро-аналоговыми преобразователями или ЦАП.
Такие устройства выполняют демодуляцию (преобразование) ранее оцифрованных амплитуд непрерывного сигнала. Таким образом и восстанавливается исходная непрерывная функция по времени (с учетом погрешности
преобразования).
Для ЦАП действуют те же самые правила, что и для АЦП ‒ чем
меньше шаг, тем точнее представление данных.
Очевидно, что основным преимуществом цифровых методов обработки, хранения и передачи первично аналоговой информации является
возможность сохранения всех необходимых деталей исходных данных и
контроля их достоверности.
Для этого применяются различные методы, например биты паритета,
контрольные суммы, повторения передачи после коллизий и сбоев. Отдельной темой здесь является применение самокорректирующихся кодов.
Если мы опять поговорим о телефонии, то следует упомянуть, что
для представления амплитуд заданной точности хватит 7 или 8 бит кода,
т.е. 256 градаций звукового сигнала с определенным шагом.
То есть на заявленную полосу пропускания в 4 КГц мы можем создавать 256 интервалов частоты. При этом на каждую единицу передачи
приходится примерно в 13–14 Гц – это наша цена деления в герцах.
При использовании метода импульсно-кодовой модуляции для
трансляции данных посредством одного голосового канала необходимо
обеспечить пропускную способность в 56 или 64 Кбит/с. Величина пропускной способности зависит от того, каким количеством бит представляется каждое мгновенное значение оцифровываемого аналогового сигнала.
Именно такая скорость доступа в интернет при помощи модема была доступна пользователям в начале 2000-х. Так как и голосовая связь, и канал
связи с Интернетом того времени имели один и тот же диапазон, то модемы
2.2. Классификация кодов и их параметры
43
фактически «дозванивались» до АТС в автоматическом режиме и, управляемые программным обеспечением, «занимали» телефон.
Следует знать, что любой процесс передачи сигнала в дискретном
виде требует от сетей жесткого соблюдения постоянного и стабильного интервала времени измерения в 125 мкс. Это значение соответствует дискретизации сигнала на частоте 8 КГц. Так как этот интервал должен присутствовать между соседними измерениями, то передача данных требует синхронизации между узлами сети.
При отсутствии синхронности измерений исходный сигнал восстанавливается с единичными или даже со множественными ошибками. В телефонии это может привести к искажению голоса, а для компьютера может
привести к искажению важной информации, вплоть до полной потери.
Что касается телефонии, то редкая и непериодическая потеря единичного значения сигнала при условии синхронности между остальными измерениями, практически не сказывается на восприятии звуке. Абонент просто
не услышит какой-либо «пик» или «провал» сигнала с такой частотой.
Такой результат получается благодаря естественному сглаживающему эффекту внутри ЦАП. Эффект сглаживания похож на процедуру интегрирования, но основан на инерционности любого физического сигнала
между двумя точками. Амплитуда звукового сигнала (гармоник) не может
мгновенно увеличиться или уменьшится на значительную величину – сигнал
останется более или менее плавным. Это, конечно же, не является фактом
для сигналов другого типа, но является примером эффективного использования особенностей как самих сигналов, так и обрабатывающей их техники.
Представленные в бинарной форме данные можно транслировать
уже через привычную компьютерную сеть. Для этого необходимо разместить полученные дискретные значения в кадр, например, Ethernet, и, снабдив его корректным адресом назначения, отправить дальше. Получатель
данных извлекает сетевой кадр, оцифровывает, формирует ответ и снова
подает их в цифро аналоговый преобразователь.
По ходу поступления кадров операция повторяется для каждого из
них. В телефонии качество голоса будет высоким, если кадры будут синхронизированы, т.е. будут поступать через одинаковые промежутки времени.
Но даже в самых современных сетях пакеты могут теряться или задерживаться. В таком случае голос будет искажаться, даже находясь в цифровой форме. Для качественной передачи оцифрованных непрерывных
Глава 2. Кодирование и представление данных
44
сигналов (тех же самых медиа-данных) используются специализированные
цифровые сети. Такие сети работают при помощи технологи ISDN или
ATM, но это тоже отдельная тема для изучения.
Рассмотрим далее методы аналоговой модуляции.
2.3. Аналоговая модуляция
Аналоговая модуляция ‒ это метод надежной передачи данных по
каналам с узкой полосой частот.
Как уже говорилось ранее на примере голосового сигнала, канал
связи обеспечивает пропускную способность для каналов в диапазоне до
4 КГц. Такое ограничение связано с применением аппаратуры уплотнения
и коммутации каналов в телефонных сетях.
Аналоговая модуляция здесь является простым способом физического кодирования, при котором информация представляется изменением
одной или нескольких основных характеристик аналогового сигнала: амплитуды, частоты или фазы. Кроме «чистых» форм модуляции, на практике применяются и «смешенные» формы, типа амплитудо-частотной модуляции.
Сам принцип модуляции здесь объяснить достаточно просто: один
уровень амплитуды сигнала выбирается для представления логической
единицы, а другой уровень – для представления логического нуля. При
этом частотные характеристики сигнала не изменяются. Например, для
представления логического нуля применяется напряжение в 1 В, а для представления единицы – 5 В.
Этот способ имеет низкую помехоустойчивость, поэтому редко используется в чистом виде. Его чаще всего применяют в сочетании с другими видами модуляции, например вместе с частотной или фазовой.
Частотная модуляция строится на похожем принципе: значения логического нуля и логической единицы передаются по каналам связи гармониками с одинаковой амплитудой, но с различной частотой. Этот способ
модуляции не требует применения сложных и дорогостоящих схем и часто
используется на практике даже в чистом виде.
Что же касается фазовой модуляции, то значениям логических 0 и 1
ставят в соответствие сигналы с различной фазой, но с одинаковой частотой и даже амплитудой.
2.3. Аналоговая модуляция
45
Примеры модуляции сигналов показаны на рис. 4 ниже.
Следует сказать, что для различных каналов связи применяются
разные типы модуляции или их комбинации. Виды модуляции и их сочетания зависят от надежности канала связи и от его физических характеристик. Например, часто применяется амплитудная и частотная модуляция, где логические нули и единица представляются сразу измененной
амплитудой и частотой.
Кроме того, модуляция часто совмещается с различными методами цифрового кодирования, которое тоже помогает в формировании
устойчивых форм сигналов и повышает надежность процесса передачи
данных.
Далее рассмотрим методы цифрового кодирования, применяемые
совместно с модуляцией в каналах связи.
Рис. 4. Различные типы модуляции
Глава 2. Кодирование и представление данных
46
2.4. Цифровое кодирование данных
При цифровом кодировании информации применяют потенциаль-
ные и импульсные коды для представления сигналов, изначально находящихся в дискретной форме.
У потенциальных кодов есть одна интересная особенность: устойчи-
вые состояния логического нуля и единицы представляются только при помощи значений сигнала с разным потенциалом. Перепады (фронт и спад)
не используются в канале связи.
Импульсные коды, наоборот, представляют бинарные данные либо
импульсами, либо частью импульса с определенной полярностью, т.е. перепадом потенциала в определенном направлении (фронт или спад).
Рассмотрим требования для методов цифрового кодирования в каналах связи.
Потенциальное представление данных характерно своим использованием традиционных прямоугольных импульсов. При этом прямоугольным импульс считается тогда, когда он представляет собой стабильное
напряжение логического нуля или единицы и имеет определенную длительность в течение такта синхронизации. Именно во время удержания такого импульса и считывается состояние 0 или 1.
Таким образом, для передачи дискретной информации необходимо
выбрать такой способ кодирования, который одновременно достигал бы
нескольких целей:
1) ширина спектра должна быть наименьшей из возможных при од-
ной и той же постоянной битовой скорости;
2) должна быть обеспечена синхронизация и самосинхронизация по-
тока передачи данных между передатчиком и приемником;
3) должна существовать возможность распознавать и ликвидировать
хотя бы одиночные ошибки;
4) стоимость реализации и эксплуатации должна быть низкой.
Поясним некоторые утверждения.
Под узким спектром мы понимаем то, что в одном канале передачи
данных с одной достаточно широкой полосой пропускания можно достичь
высокой скорости передачи и передавать сразу несколько потоков данных
за счет уплотнения спектра внутри полосы пропускания.
2.4. Цифровое кодирование данных
47
На спектр передаваемого сигнала часто накладывают требование от-
сутствия постоянной составляющей. Здесь имеется в виду, что на линии
связи должен отсутствовать постоянный ток.
Передаваемые сигналы являются переменным током в чистом виде.
Для того чтобы исключить попадание постоянного тока на линию,
применяется различное оборудование и инженерные решения. Самыми известными являются гальванические или оптические развязки.
Любая такая схема в нормальном виде препятствует прохождению
постоянного тока по линии связи, так как она исключает прямой физический контакт по постоянному току между сегментами линии связи.
Для любого канала связи жизненно необходима синхронизация при-
емника и передатчика любым способом. При синхронизации двух узлов
они будут точно знать, когда происходит определенная фаза обмена, когда
начинается и когда заканчивается передача данных.
Эта проблема решается достаточно легко при близком расположе-
нии устройств и при возможности провести между ними специальную линию синхронизации, как это показано ниже на рис. 5.
Рис. 5. Синхронизация приемника и передатчика при помощи тактирующей линии
Если это требование выполнить невозможно, то синхронизацию
приходится проводить «внутри» самих данных: использовать одинаковые
настройки приемника и передатчика, применять условные состояния линии
и специальные коды.
К сожалению, в компьютерных сетях использование подобной схемы
практически невозможно из-за неоднородности характеристик проводников
в кабелях и больших расстояний. Даже в «коротких» каналах связи возникают сложности, например, со скоростью передачи данных, так как подобные «развязки» имеют ограничения на пропускную способность каналов.
В линиях связи с увеличением расстояния передачи данных изменяется и становится неравномерной скорость распространения сигнала.
Глава 2. Кодирование и представление данных
48
Это может привести к тому, что тактовый импульс по общей или специальной линии придет не одновременно с соответствующими данными, а
позже или раньше.
Кроме того, для передачи синхроимпульсов всегда требуется от-
дельный проводник, следовательно, при прокладке сетей на большие расстояния их стоимость растет в геометрической прогрессии. Нецелесообразно тянуть от сервера ко всем клиентам (расположенным на разном расстоянии) свои собственные линии синхронизации.
Поэтому для сетей внедряются специального вида коды, являющи-
еся самосинхронизирующимися. Их суть работы состоит в том, что сигналы несут в себе не только информационную составляющую (служебные
заголовки, пользовательские данные и контрольные суммы), но и информацию о синхронизации, которая воспринимается приемником и позволяет
ему работать синхронно даже на большом расстоянии.
Кстати говоря, для беспроводной связи на близком расстоянии при-
емники могут получать еще и энергию для своей работы прямо из сигнала.
Подобный процесс происходит в пассивных устройствах типа микропроцессорных пластиковых карт (RFID-устройствах).
Как показывает практика и процесс эволюции компьютерных сетей и
сетей связи вообще, чаще всего используются периодические сигналы типа
синусоид. Результирующий код обладает свойством самосинхронизации в
основном при использовании гармонического сигнала в качестве несущего.
Самосинхронизация также означает, что тактирующие импульсы получаются прямо из входного сигнала, вместе с данными и служебными пакетами. Эффект тактирования происходит вследствие того, что резкое изменение несущей частоты дает возможность определить не только момент
начала или конца передачи, но и другие устойчивые служебные комбинации и состояния.
Еще одной особенностью такой технологии передачи данных является возможность внедрения и использования на практике технологий распознавания и удаления ошибок.
Распознавание ошибок практически невозможно эффективно выполнить только средствами физического уровня модели. Намного проще
всю эту работу выполнить другими протоколами и инструментами, которые регламентируются на уровнях выше. Например, на канальном, сетевом,
транспортном или прикладном.
2.4. Цифровое кодирование данных
49
С другой стороны, детектирование и устранение ошибок на физиче-
ском уровне может существенно сэкономить время трансляции. Например,
вследствие того, что приемник при обнаружении ошибки уже не будет ожидать окончания приема полного кадра, а сможет сразу оборвать передачу
даже на самом начальном этапе.
Далее рассмотрим организацию передачи данных в каналах связи.
Глава 3. Организация передачи данных в каналах связи
50
ГЛАВА 3
ОРГАНИЗАЦИЯ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ
В КАНАЛАХ СВЯЗИ
В данной главе мы подробно рассмотрим каналы передачи данных,
помехи и искажения дискретных и аналоговых сигналов, выполним классификацию искажений и рассмотрим причины их возникновения. Также подробно проанализируем современные кодеры и декодеры сигналов, применяющиеся на практике в автоматизированных и информационных системах.
3.1. Каналы передачи данных
Под каналами связи мы будем понимать проводные и беспроводные
способы передачи сигналов и данных на физическом уровне [10].
К каналам связи можно отнести проводные линии, оптические линии, радиоканалы с различными частотными характеристиками. По этим
каналам передаются в одном или сразу в двух направлениях данные пользователя и служебная информация, обеспечивающие решение бизнес-проблем различных частей автоматизированных и информационных систем.
3.2. Помехи в каналах передачи данных
В реальных каналах связи все сигналы подвергаются искажениям.
Вследствие этого сообщения могут воспроизводиться с ошибками. Эти
ошибки и искажения зависят от характеристик процесса передачи, физических особенностей каналов связи, а также от других факторов, воздействующих на сигнал [6].
Подобные изменения характеристик тракта имеют, как правило, регулярный характер. Их в большинстве случаев можно устранить при помощи соответствующей коррекции.
Однако воздействующие на сигнал помехи имеют случайный характер. Они могут быть заранее неизвестны и потому к ним сложно адаптироваться и их влияние нельзя полностью устранить.
В каналах связи встречаются в основном следующие виды помех.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]