Курс Лекций: «Аппаратное и программное обеспечение ЭВМ и сетей» Раздел 3. Технологии физического уровня. Модуляция. Режимы передачи Тема 3-07 Модуляция. Режимы передачи: симплексный, полудуплексный, дуплексный. Моноканал. Модуляция при передаче аналоговых сигналов. Модуляция при передаче дискретных сигналов Комбинированные методы модуляции. Тема 3 - 07. Режимы передачи: симплексный, полудуплексный, дуплексный. Моноканал. [Л1.257-264] Процесс обмена сообщениями в вычислительной сети по каналам связи имеет следующие параметры: режим передачи, код передачи, способ передачи данных. Существуют три режима передачи: симплексный, полудуплексный и дуплексный. Симплексный режим - передача данных только в одном направлении. Дуплексный режим обеспечивает одновременную передачу информации в обоих направлениях. Полудуплексный режим также обеспечивает передачу информации в обоих направлениях, но не одновременно, а по очереди. Дуплексный канал может состоять их двух физических сред, каждая их которых используется для передачи информации только в одном направлении. Возможен вариант, когда одна среда служит для одновременной передачи встречных потоков, в этом случае применяют дополнительные методы выделения каждого потока из суммарного сигнала. Суммарная скорость обмена информацией в данном режиме достигает своего максимума. Например, для технология Fast Ethernet со скоростью 100 Мбит/с, скорость обмена близка к 200 Мбит/с (100 Мбит/с — передача и 100 Мбит/с — приём). Курс Лекций: «Аппаратное и программное обеспечение ЭВМ и сетей Тема 3 - 07. Режимы передачи: симплексный, полудуплексный, дуплексный. Моноканал Полудуплексный режим также обеспечивает передачу информации в обоих направлениях, но не одновременно, а по очереди. То есть в течение определенного периода времени информация передается в одном направлении, а в течении следующего периода — в обратном. Это режим, когда источник и приемник последовательно меняются местами. Полная скорость обмена информацией по каналу связи в данном режиме имеет вдвое меньшее значение, по сравнению с дуплексом. В этом режиме, когда несколько передающих узлов пытаются в один и тот же момент времени пытаются осуществлять передачу, возникают «столкновения » кадров – коллизии. Моноканал ЛВС представляет собой разделяемый ресурс, использование которого основано на различных методах доступа. Моноканалом, может служить коаксиальный кабель, радиоэфир, т.е. среда – канал передачи, одновременно доступный нескольким компьютерам сети. Способы передачи Симплексная передача (однонаправленная) Дуплексная (полнодуплексная) (одновременная передача в двух направлениях, не менее двух витых пар или оптоволокон) Полудуплексная (в разное время передача ведется в разном направлении, может быть только один канал передачи). Tx Rx Tx Rx Rx Tx Tx, Rx Rx, Tx Tx - передатчик Rx - приемник Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004 NETS and OSs Способ передачи данных Тема 3 - 07. Модуляция при передаче аналоговых сигналов. Амплитудная модуляция Модуляция - (лат. modulatio - мерность, размерность) - процесс изменения одного сигнала в соответствии с формой другого сигнала. Амплитудная модуляция (Amplitude Modulation, AM). — вид модуляции, при которой изменяемым параметром несущего сигнала является его амплитуда. Первоначально передавали звуковую (Audio) информацию, спектр примерно 10 кГц, а радиодиапазоны - высокие частоты, от 30 кГц до 300 МГц.. U(t)=e(t)*Sin(ω*t), где e(t)- полезный сигнал, ω=2πf, f-частота несущего сигнала. Тема 3 - 07. Модуляция при передаче аналоговых и дискретных сигналов. Частотная, фазовая модуляция Частотная модуляция: При частотной модуляции (Frequency Modulation, FM) амплитуда несущего колебания U0 сохраняется постоянной, а частота несущего колебания f(t) определяется модулирующим сигналом e(t) в соответствии с выражением: f(t) = f0 + kFM* e(t), где kFM - коэффициент пропорциональности, связывающий отклонение ΔfFM частоты f(t) от своего номинального значения f0, равное ΔfFM = f(t) - f0, и величину модулирующего напряжения e(t), вызывающего это отклонение. ΔfFM (max) –называется девиацией. Фазовая модуляция: Фазовая модуляция — один из видов модуляции колебаний, при которой фаза несущего колебания управляется информационным сигналом. Фазомодулированный сигнал s(t) имеет следующий вид: s(t) = U0sin[2πf0t + φ(t) ], φ(t) = k*e(t), где e(t) — огибающая сигнала; φ(t) является модулирующим сигналом; f0 — частота несущей; t — время. По характеристикам фазовая модуляция близка к частотной модуляции. Поскольку частота и начальная фаза являются составляющими обобщенного угла несущего колебания [f(t)+φ(t)], то такую модуляцию называют угловой. Тема 3 - 07. Модуляция при передаче дискретных сигналов. Рис.3-07.2. Амплитудная (АМ) ,частотная (FM) и фазовая модуляция (ФМ). Тема 3 - 07. Модуляция. Амплитудная, частотная, фазовая манипуляция В случае, когда модулированные сигналы передают дискретную информацию, вместо термина «модуляция» иногда используется термин «манипуляция»: амплитудная манипуляция (Amplitude Shift Keying, ASK), частотная манипуляция (Frequency Shift Keying, FSK), фазовая манипуляция (Phase Shift Keying, PSK). (Рис. 3-07.2). При АМ для “1” единицы выбирается один уровень амплитуды синусоиды несущей частоты, а для “0”нуля — другой; При ЧМ значения нуля и единицы исходных данных передаются с различной частотой — f0 и f1. При исп-и только двух частот за один такт передается один бит информации, такой способ называется двоичной частотной манипуляцией (Binary FSK, BFSK). При фазовой модуляции значениям данных “0” и “1” соответствуют сигналы одинаковой частоты, но различной фазы, например 0 и 180° или 0, 90, 180 и 270° (рис. 3-07.2). В первом случае такая модуляция носит название двоичной фазовой манипуляции (Binary PSK, BPSK), а во втором — квадратурной фазовой манипуляции (Quadrature PSK, QPSK). Самый известный пример применения модуляции при передаче дискретной информации — это передача компьютерных данных по телефонным каналам. _ Рис. 3-07.3 АЧХ телефонного канала, разделенного на два подканала, с двумя несущими. Методы модуляции Курс Лекций: «Аппаратное и программное обеспечение ЭВМ и сетей Тема 3 - 07. Фазовая манипуляция (Phase Shift Keying, PSK) . Bit rate = 2 x сигнальная скорость Bit rate = 3 x сигнальная скорость Рис. 3-04. Фазовая манипуляция 4-PSK и 8-PSK. Тема 3 - 07. Кодирование. Бод, символ и битовая скорость. Количество изменений информационного параметра несущего периодического сигнала в секунду (число отсчетов за одну секунду) измеряется в бодах (baud). Период времени между соседними изменениями информационного сигнала называется тактом работы передатчика. B(Бод)=1/T(такт); Если сигнал изменяется так, что можно различить только два его состояния, то любое его изменение будет соответствовать наименьшей единице информации — биту. Если сигнал имеет более двух различимых состояний, то пропускная способность в битах в секунду будет выше, чем число бод. Скорость двоичной передачи, baud rate (в Бодах) — это число отсчетов, совершаемых за одну секунду (количество изменений информационного параметра несущего периодического сигнала в секунду). Каждый отсчет передает единицу информации, то есть символ. Битовой скоростью называется объем информации, передаваемый по каналу за секунду. Битовая скорость равна произведению числа символов в секунду и числа бит на символ (символ/с * бит/символ). На пропускную способность линии оказывает влияние не только физическое, но и логическое кодирование. Логическое кодирование выполняется до физического кодирования и подразумевает замену бит исходной информации новой последовательностью бит, несущей ту же информацию, но обладающей, кроме этого, дополнительными свойствами, например возможностью для приемной стороны обнаруживать ошибки в принятых данных. Сопровождение каждого байта исходной информации одним битом четности - это пример очень часто применяемого способа логического кодирования при передаче данных с помощью модемов. Курс Лекций: «Аппаратное и программное обеспечение ЭВМ и сетей Тема 3 - 07. Комбинированные методы модуляции Для повышения скорости передачи данных используют комбинированные методы модуляции. Наиболее распространенными являются методы квадратурной амплитудной модуляции (Quadrature Amplitude Modulation, QAM). Эти методы основаны на сочетании фазовой и амплитудной модуляций. Квадратурно-амплитудная модуляция (QAM) позволяет за каждый отсчет (такт) передать n-е количество битов, увеличивая битовую скорость передачи данных. Все современные модемы используют комбинированные методы модуляции сигналов для передачи максимального количества бит в одном боде. Диаграммы, показывающие допустимые комбинации амплитуд и фаз (как на рис. 3-07.5), называются амплитудно-фазовыми диаграммами (диаграммами созвездий). На рис. 3-07.5 а) изображены точки, расположенные под углами 45, 135, 225 и 315°, с постоянным уровнем амплитуды (это видно по расстоянию до них от начала координат). Фаза этих точек равна углу, который линия, проведенная через точку и начало координат, составляет с положительным направлением горизонтальной оси. Комбинированные методы модуляции Рис. 3-10.5. Амплитудно-фазовая диаграмма QPSK (a); QAM-16 (b); QAM-64 (c) Курс Лекций: «Аппаратное и программное обеспечение ЭВМ и сетей Тема 3 - 07. Комбинированные методы модуляции Физическое кодирование Квадратурная модуляция (манипуляции с амплитудой и фазой сигнала) Меняются и фаза и амплитуда QAM-16 QAM-64 Рис. 3-10.6. Амплитудно-фазовая диаграммы QAM-16 и QAM-64 Тема 3 - 07. Комбинированные методы модуляции На рис. 3-07.6-а видно, что возможны четыре положения фазового сдвига, значит, можно передавать 2 бита на символ. Это метод называется квадратурной амплитудной модуляцией QPSK (Quadrature Amplitude Modulation). На рис. 3-10.5-б) изображен другой комбинированный метод модуляции, использующий 16 комбинаций амплитудных и фазовых сдвигов. С его помощью можно передавать уже 4 бита на символ. Такая схема называется квадратурной амплитудной модуляцией QAM-16. Она может, например, использоваться для передачи 9600 бит/с по линии с пропускной способностью 2400 бод (24=8.) 2400*8=9600 бит/с/ Но, чем больше точек находится на амплитудно-фазовой диаграмме, тем больше вероятность того, что даже слабый шум при детектировании амплитуды или фазы приведет к ошибке и порче битов. Для уменьшения этой вероятности были разработаны стандарты, подразумевающие включение в состав каждого отсчета нескольких дополнительных битов коррекции. Такие схемы называются решетчатым кодированием, или ТСМ (TrellisCoded Modulation). Так, например, стандарт V.32 имеет 32 точки на диаграмме для передачи 4 бит/символ и 1 контрольный бит на линии 2400 бод, что позволяет достигнуть скорости 9600 бит/с с коррекцией ошибок. Тема 3 - 07. Комбинированные методы модуляции а) б) Рис. 3-10.7. Амплитудно-фазовая диаграмма V.32 для 9600 бит/с (a);V.32 для 14 400 бит/с (б) Комбинированные методы модуляции Стандарт V.32bis позволил увеличить скорость до 14400 бит/с. Такая скорость достигается передачей 6 бит данных и 1 контрольного бита на отсчет при частоте дискретизации 2400 бод. Амплитудно-фазовая диаграмма (рис. 3-07.7.б) состоит из 128 точек при использовании QAM-128. Следующим телефонным стандартом после стандарта V.32bis является V.34 со скоростью 28 800 бит/с при частоте дискретизации 2400 бод и 12 битах данных па символ. Последние модемы этой серии были сделаны в соответствии со стандартом V.34bis и использовали 14 бит/символ при 2400 бод. за счет чего была достигнута скорость 33 600 бит/с. Данная битовая скорость была предельной для пары работающих аналоговых модемов на телефонной линии связи, из-за шумов цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) на передающем конце и аналоговоцифровых преобразователей (АЦП) на приемном. Дальнейшее увеличение скорости стало возможным при исключении на одном из концов телефонной линии ЦАП или АЦП. Например (см. Рис 3-07.9) «Провайдер 1» применяет обычные аналоговые модемы, в данной ситуации возможно достигнуть скорости не более 33600 бит/с., а «Провайдер 2» применяет специальные цифровые модемы, где отсутствует ЦАП, тем самым «убираются » шумы на одном из концов линии связи между модемами. Такую технологию предусматривает стандарты V.90 и V.92, в этом случае скорость может достигать до 56 000 бит/с. (см. Рис 3-07.8 б) и Рис. 3-07.9). Функциональная схема аналогового модема а) б) Рис. 3-07.8 . Иллюстрация принципа работы обычных и 56К(V.90)– модемов. Тема 3 - 07. Комбинированные методы модуляции Рис. 3-07.9. Одновременное использование аналоговой и цифровой связи для соединения компьютеров. Преобразования осуществляются модемами и кодеками Курс Лекций: «Аппаратное и программное обеспечение ЭВМ и сетей Тема 3 - 07. Методы передачи дискретных данных Для представления дискретной информации в среде передачи данных применяются сигналы двух типов: на основе синусоидального несущего сигнала (см. выше) и; на основе последовательности прямоугольных импульсов. Первый способ часто называется модуляцией или аналоговой модуляцией, подчеркивая тот факт, что кодирование осуществляется за счет изменения параметров аналогового сигнала. Рис. 3-07.10 Второй способ обычно называют цифровым кодированием. Эти способы отличаются шириной спектра результирующего сигнала и сложностью аппаратуры, необходимой для их реализации. Применение синусоиды приводит к спектру гораздо меньшей ширины при той же скорости передачи информации. Однако для реализации синусоидальной модуляции требуется более сложная и дорогая аппаратура, чем для реализации прямоугольных импульсов. Тема 3 - 07. Методы передачи дискретных данных. Кодирование. Полоса пропускания, символ и битовая скорость. Говоря о цифровом кодировании, часто применяют формулу Найквиста, определяющую максимально возможную пропускную способность линии связи, без учета шума в линии: C=2xFxlog2M, где М - количество различимых состояний информационного параметра. На (рис. 3-07.11,а) принят следующий способ кодирования - логическая 1 представлена на линии положительным потенциалом, а логический 0 отрицательным. Следовательно, максимально возможная пропускная способность линии связи равна C=2*F*log22=2*F*1=2*F двойной полосе пропускания. а) сигнал имеет 2 состояния; б) сигнал имеет 4 состояния; Рис. 3-07.11 Состояние сигнала в течении такта передачи Тема 3 - 07. Кодирование. Полоса пропускания, символ и битовая скорость. Кодирование в узком смысле - способ представления дискретных данных импульсными сигналами для передачи по широкополосным линиям (без модуляции) Цели кодирования: 1. Сужение полосы частот результирующего сигнала. Чем меньше изменений потенциала сигнала в единицу времени (измеряется в бодах), тем уже спектр сигнала, тем выше может быть битовая скорость на линии с фиксированной полосой пропускания; 2. Синхронизация приемника и источника. Выбор способа представления дискретной информации в виде сигналов, подаваемых на линию связи, называется физическим или линейным кодированием. Передача дискретной информации в телекоммуникационных сетях осуществляется тактировано, то есть изменение сигнала происходит через фиксированный интервал времени, называемый тактом. Приемник информации считает, что вначале каждого такта на его вход поступает новая информация. Например, если такт равен 0,3 с. а сигнал имеет два состояния и 1 кодируется потенциалом 5 вольт, то присутствие на входе приемника сигнала 5 вольт в течение 3 секунд означает получение информации, представленной двоичным числом 1111111111. Курс Лекций: «Аппаратное и программное обеспечение ЭВМ и сетей Тема 3 - 07. Импульсно-кодовая модуляция Рассмотрим обратную задачу — преобразование и передача аналоговой информации в дискретной форме. Такая задача была решена на практике в 60-е годы, когда голос начал передаваться по телефонным сетям в виде последовательности единиц и нулей, т.е. в виде «цифры». Основной причиной такого преобразования является невозможность улучшения качества данных, при передаче в аналоговой форме, с использованием аналогового оборудования. При приеме аналогового сигнала сложно определить ошибки и искажения, которые претерпел исходный переданный сигнал по аналоговым линиям связи, особенно по дальним. Поэтому на смену аналоговой технике передачи и записи звука и изображения пришла цифровая техника. В этой технике используется так называемая дискретная модуляция исходных непрерывных во времени аналоговых процессов. Рассмотрим принципы дискретной модуляции на примере импульснокодовой модуляции (Pulse Code Modulation, PCM), которая широко применяется в цифровой телефонии. Дискретные способы модуляции основаны на дискретизации непрерывных процессов, как по амплитуде, так и по времени (рис. 3-07.12). Тема 3 - 07. Импульсно-кодовая модуляция f0 n3 n2 n4 n1 t1 t2 t3 t4 Рис. 3-07.12 Кодирование (дискретная модуляция) Частота квантования: f=1/ n1, n2, n3, . . . - ”оцифрованный” сигнал f 2f0 Теорема КотельниковаНайквиста Дискретизация непрерывного сигнала по амплитуде и по времени Тема 3 - 07. Импульсно-кодовая модуляция Амплитуда исходной непрерывной функции измеряется с заданным периодом — за счет этого происходит дискретизация по времени. Затем каждый замер представляется в виде двоичного числа определенной разрядности, что означает дискретизацию по значениям — непрерывное множество возможных значений амплитуды заменяется дискретным множеством ее значений. Устройство, которое выполняет подобную функцию, называется аналогоцифровым преобразователем (АЦП). После этого замеры передаются по линиям связи в виде последовательности единиц и нулей. При этом применяются те же методы кодирования, что и при передаче изначально дискретной информации. На приемной стороне линии коды преобразуются в исходную последовательность битов, а специальная аппаратура, называемая цифроаналоговым преобразователем (ЦАП), производит демодуляцию оцифрованных амплитуд, восстанавливая исходную непрерывную функцию времени. Дискретная модуляция основана на теории отображения НайквистаКотельникова. В соответствии с этой теорией, аналоговая непрерывная функция, переданная в виде последовательности ее дискретных по времени значений, может быть точно восстановлена, если частота дискретизации была в два или более раз выше, чем частота самой высокой гармоники спектра исходной функции. Тема 3 - 07. Оцифровывание голоса Преимуществом цифровых методов записи, воспроизведения и передачи аналоговой информации является возможность контроля достоверности считанных с носителя или полученных по линии связи данных. Для этого можно применять те же методы, что и в случае компьютерных данных, — вычисление контрольной суммы, повторная передача искаженных кадров, применение самокорректирующихся кодов. Для качественной передачи голоса в методе РСМ используется частота квантования амплитуды звуковых колебаний в 8000 Гц. Это связано с тем, что в аналоговой телефонии для передачи голоса был выбран диапазон от 300 до 3400 Гц, который достаточно качественно передает все основные гармоники собеседников. В соответствии с теоремой Найквиста-Котельникова для качественной передачи голоса достаточно выбрать частоту дискретизации, в два раза превышающую самую высокую гармонику непрерывного сигнала, то есть 2 к 3400 ~ 6800 Гц. Выбранная в действительности частота дискретизации 8000 Гц обеспечивает некоторый запас качества. В методе РСМ обычно используется 7 или 8 бит кода для представления амплитуды одного замера. Соответственно, это дает 127 или 256 градаций звукового сигнала, что оказывается вполне достаточным для качественной передачи голоса. При использовании метода РСМ для передачи одного голосового канала необходима пропускная способность 56 или 64 Кбит/с в зависимости от того, каким количеством битов представляется каждый замер. Если для этих целей применяется 7 бит, то при частоте передачи замеров и 8000 Гц получаем: 8000 х 7 = 56000 бит/с или 56 Кбит/с. (8000 х 8 = 64000 бит/с) Тема 3 - 07. Оцифровывание голоса А для случая 8 бит: 8000 х 8 = 64000 бит/с или 64 Кбит/с. Стандартным является цифровой канал 64 Кбит/с. который также называется элементарным каналом цифровых телефонных сетей. Передача непрерывного сигнала в дискретном виде требует от сетей жесткого соблюдения временного интервала в 125 мкс (соответствующего частоте дискретизации 8000 Гц) между соседними замерами, то есть требует синхронной передачи данных между узлами сети. При отсутствии синхронности прибывающих замеров исходный сигнал восстанавливается неверно, что приводит к искажению голоса, изображения или другой мультимедийной информации, передаваемой по цифровым сетям. Так, искажение синхронизации в 10 мс может привести к эффекту эха, а сдвиги между замерами в 200 мс приводят к невозможности распознавания произносимых слов. В то же время потеря одного замера при соблюдении синхронности между остальными замерами практически не сказывается на воспроизводимом звуке. В теореме Найквиста—Котельникова предполагается, что амплитуды функции измеряются точно, в то же время использование для их хранения двоичных чисел с ограниченной разрядностью несколько искажает эти амплитуды. Соответственно искажается восстановленный непрерывный сигнал, что называется шумом дискретизации (по амплитуде). Тема 3 - 07. Мультиплексирование с разделением времени Коммутация каналов – синхронное разделение во времени (Time Division Multiplexing, TDM или STM) Курс Лекций: «Аппаратное и программное обеспечение ЭВМ и сетей Тема 3 - 07. TDM TDM: Все оборудование должно работать синхронно и циклически. Цикл работы TDM-оборудования - 125 мкс Мультиплексор принимает данные от каждого конечного абонента со скоростью 64 Кбит/c - 1 байт каждые 125 мкс. Мультиплексор передает обойму на выходной канал с битовой скоростью Nx64 Кбит/с Каждое соединение обладает фиксированной пропускной способностью, кратной 64 Кбит/с. Каждому соединению выделяется один квант времени цикла работы аппаратуры -тайм-слот Длительность тайм-слота зависит от числа абонентских каналов, обслуживаемых TDM-оборудованием Тайм-слот закрепляется за абонентом на все время соединения Курс Лекций: «Аппаратное и программное обеспечение ЭВМ и сетей Тема 3 - 07. TDM Коммутация каналов – разделение по длине волны (Wave Division Multiplexing, WDM или Dense WDM) MUX Внутри волны – TDM или пакеты Crossconnect Курс Лекций: «Аппаратное и программное обеспечение ЭВМ и сетей Тема 3 - 07. Сравнение методов коммутации каналов и пакетов Коммутация каналов Коммутация пакетов Гарантированная пропускная способность (полоса) для взаимодействующих абонентов Пропускная способность сети для абонентов неизвестна, задержки передачи носят случайный характер Сеть может отказать абоненту в установлении соединения Сеть всегда готова принять данные от абонента Трафик реального времени передается без задержек Ресурсы сети используются эффективно при передаче пульсирующего трафика Адрес используется только на этапе установления соединения Адрес передается с каждым пакетом Курс Лекций: «Аппаратное и программное обеспечение ЭВМ и сетей Тема 3 - 07. Области применимости методов коммутации Коммутация каналов применяется: для передачи трафика с постоянной скоростью и чувствительного к задержкам. Пример: речь Недостатки: В случае временного не использования канала абонентами его пропускную способность нельзя отдать другим абонентам – отсутствует адресная информация в потоке данных. Коммутация пакетов применяется: для передачи пульсирующего трафика с переменной скоростью и не чувствительного к задержкам. Пример: передача текстовых документов, просмотр Web-страниц. Недостатки: Нет гарантий пропускной способности, переменные задержки – сложно передавать потоковый трафик реального времени – речь, видео Тема 3 - 07. Синхронизация приемника и источника Асинхронная и синхронная передача Байт 2 Байт n Синхро байт Управление Байт n Контроль ошибок Байт 2 Данные пользователя Байт 1 Байт 1 Управление Синхро байт Иденти- Управфикатор ление Тема 3 - 07. Синхронизация приемника и источника Литература: 1) Олифер В. Г. Олифер. Н. А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: Учебник для вузов. 4-е изд. — СПб.: Питер, 2010. — 944 е.: ил. для данной темы см. 257-264; 2) Э. Таненбаум . Компьютерные сети. 4-е изд. /. — СПб.: Питер, 2003. — 992 с