Дуплексный режим работы канала

Дуплексный режим — это наиболее универсальный и производительный режим работы канала. Самым простым вариантом организации дуплексного режима является использование двух независимых линий связи (двух пар проводников или двух оптических волокон) в кабеле, каждая из которых работает в симплексном режиме, то есть передает данные в одном направлении. Именно такая идея лежит в основе реализации дуплексного режима работы многих сетевых технологий, например Fast Ethernet или ATM. Иногда такое простое решение оказывается недоступным или неэффективным, например, когда прокладка второй линии связи ведет к большим затратам. Так, при обмене данными с помощью модемов через телефонную сеть у пользователя имеется только одна линия связи с телефонной станцией — двухпроводная. В таких случаях дуплексный режим рабо­ты организуемся на основе разделения линии связи на два логических канала с помощью техники FDM или TDM.

При использовании техники FDM для организации дуплексного канала диапазон частот делится на две части. Деление может быть симметричным и асимметричным, в последнем случае скорости передачи информации в каждом направлении различаются (популярный пример такого подхода — технология ADSL, служащая для широкополосного доступа в Интернет). В случае, когда техника FDM обеспечивает дуплексный режим работы, ее называют дуплексной связью с частотным разделением (Frequency Division Duplex, FDD).

При цифровом кодировании дуплексный режим на двухпроводной линии организуется с помощью техники TDM. Часть тайм-слотов служит для передачи данных в одном направлении, часть — в другом. Обычно тайм-слоты противоположных направлений чередуются, из-за чего такой способ иногда называют «пинг-понговой» передачей. Дуплексный режим TDM получил название дуплексной связи с временном разделением (Time Division Duplex, TDD).

В волоконно-оптических кабелях с одним оптическим волокном для организации дуплексного режима работы может применяться технология DWDM. Передача данных в одном направлении осуществляется с помощью светового пучка одной длины волны, в обратном — другой длины волны. Собственно, решение частной задачи — создание двух независимых спектральных каналов в одном окне прозрачности оптического волокна — и привело к рождению технологии WDM, которая затем трансформировалась в DWDM. Появление мощных процессоров для цифровой обработки сигналов (Digital Signal Processor, DSP), способных выполнять сложные алгоритмы обработки сигналов в реаль­ном времени, сделало возможным еще один вариант дуплексной работы. Два передатчика работают одновременно навстречу друг другу, создавая в канале суммарный аддитивный сигнал. Так как каждый передатчик знает спектр собственного сигнала, то он вычитает его из суммарного сигнала, получая в результате сигнал, посылаемый другим передатчиком.

Выводы

Для представления дискретной информации применяются сигналы двух типов: прямоугольные импульсы и синусоидальные волны. В первом случае используют термин «кодирование», во втором — «модуляция».

При модуляции дискретной информации единицы и нули кодируются изменением амплитуды, частоты или фазы синусоидального сигнала.

Аналоговая информация может передаваться по линиям связи в цифровой форме. Это повышает качество передачи, так как позволяет применять эффективные методы обнаружения и исправления ошибок, недоступные для систем аналоговой передачи. Для качественной передачи голоса в цифровой форме используется частота оцифровывания в 8 кГц, когда каждое значение амплитуды голоса представляется 8-битным числом. Это определяет скорость голосового канала в 64 Кбит/с. При выборе способа кодирования нужно одновременно стремиться к достижению нескольких целей: минимизировать возможную ширину спектра результирующего сигнала, обеспечивать синхрониза­цию между передатчиком и приемником, обеспечивать устойчивость к шумам, обнаруживать и по возможности исправлять битовые ошибки, минимизировать мощность передатчика. Спектр сигнала является одной из наиболее важных характеристик способа кодирования. Более узкий спектр сигналов позволяет добиваться более высокой скорости передачи данных при фиксированной полосе пропускания среды.

Код должен обладать свойством самосинхронизации, то есть сигналы кода должны содержать признаки, по которым приемник может определить, в какой момент времени нужно осуществлять распознавание очередного бита.

При дискретном кодировании двоичная информация представляется различными уровнями посто­янного потенциала или полярностью импульса.

Наиболее простым потенциальным кодом является код без возвращения к нулю (NRZ), однако он не является самосинхронизирующимся.

Для улучшения свойств потенциального кода NRZ используются методы, основанные на введении избыточных битов в исходные данные и на скрэмблировании исходных данных. Коды Хэмминга и сверточные коды позволяют не только обнаруживать, но и исправлять многократные ошибки. Эти коды наиболее часто используются для прямой коррекции ошибок (FEC). Для повышения полезной скорости передачи данных в сетях применяется динамическая компрессия данных на основе различных алгоритмов. Коэффициент сжатия зависит от типа данных и применяемого алгоритма и может колебаться в пределах от 1:2 до 1:8.

Для образования нескольких каналов в линии связи используются различные методы мультиплексирования, включая частотное (FDM), временнбе (TDM) и волновое (WDM) мультиплексирование, а также множественный доступ с кодовым разделением (CDMA). Техника коммутации пакетов сочетается только с методом TDM, а техника коммутации каналов позволяет использовать любой тип мультиплексирования.

Вопросы и задания

1. Сколько частот используется в методе модуляции BFSK?

2. Какие параметры синусоиды изменяются в методе QAM? Варианты ответов:

а) амплитуда и фаза;

б) амплитуда и частота;

в) частота и фаза.

3. Для какой цели в решетчатых кодах добавляется 5-й бит?

4. Сколько битов передает один символ кода, имеющий 10 состояний?

5. Поясните, из каких соображений выбрана частота дискретизации 8 кГц в методе кван­тования РСМ?

6. При каком методе кодирования/модуляции спектр сигнала симметричен относительно основной гармоники? Варианты ответов:

а) потенциальное кодирование;

б) амплитудная модуляция;

в) фазовая модуляция.

7. Какой способ применяется для улучшения самосинхронизации кода B8ZS?

8. Чем логическое кодирование отличается от физического?

9. Каким образом можно повысить скорость передачи данных по кабельной линии связи? Варианты ответов:

а) сузить спектр сигнала за счет применения другого метода кодирования/модуляции и повысить тактовую частоту сигнала;

б) применить кабель с более широкой полосой пропускания и повысить тактовую частоту сигнала;

в) увеличить спектр сигнала за счет применения другого метода кодирования и повысить тактовую частоту сигнала.

10. По каким причинам код NRZ не применяется в телекоммуникационных сетях?

11. Какими способами можно улучшить свойство самосинхронизации кода NRZI? Варианты ответов:

а) скремблировать данные;

б) использовать логическое кодирование, исключающее появление длинных последовательностей единиц;

в) использовать логическое кодирование, исключающее появление длинных последовательностей нулей.

12. Какое значение бита кодируется в манчестерском коде перепадом от низкого уровня сигнала к высокому? Варианты ответов:

а) единица; б) нуль.

13. Какой принцип лежит в основе методов обнаружения и коррекции ошибок? Варианты ответов:

а) самосинхронизация;

б) избыточность;

в) максимизация отношения мощности сигнала к мощности помех.

14. Каково расстояние Хемминга в схемах контроля по паритету?

15. Предложите избыточный код с расстоянием Хемминга, равным 3.

16. Какой режим временного мультиплексирования используется в сетях с коммутацией пакетов?

17. Найдите первые две гармоники спектра NRZ-сигнала при передаче последовательности 110011001100.., если тактовая частота передатчика равна 100 МГц.

18. Какие из 16-ти кодов 3В/4В вы выберете для передачи пользовательской информации?

19. Могут ли данные надежно передаваться по каналу с полосой пропускания от 2,1 до 2,101 ГГц, если для их передачи используются несущая частота 2,1005 ГГц, амплитудная манипуляция с двумя значениями амплитуды и тактовая частота 5 МГц?

20. Предложите коды неравной длины для каждого из символов А, В, С, D, F и О, если нужно передать сообщение BDDACAAFOOOAOOOO. Будет ли достигнута компрессия данных по сравнению с использованием:

а) традиционных кодов ASCI;

б) кодов равной длины, учитывающих наличие только данных символов.

21. Во сколько раз увеличится ширина спектра кода NRZ при увеличении тактовой частоты передатчика в 2 раза?