Digitális átvitel

A távközlés területén, majdnem napjainkig, az analóg átvitel volt az uralkodó. A jeleket valamelyik fizikai jellemzőjük (pl. feszültségük) időben folytonos változtatásával vitték át. A digitális elektronika és a számítógépek gyors fejlődése során, a telefonközpontok közötti nagysebességű trönkökön folyamatosan a digitális átvitelre tértek át (azaz folyamatos jelek helyett 0-kból és 1-ekből álló sorozatok haladnak a vonalakon). Tekintve azonban, hogy a ma működő eszközök óriási befektetések eredményei, ezek korszerűbb, digitális eszközökre való lecserélése még évtizedeket fog igénybe venni.

A digitális átvitel több fontos szempontból jobb az analóg átvitelnél. Először is nagyon kicsi a hibaaránya. Analóg áramkörök esetén erősítőket használnak a vonalon fellépő csillapítások ellensúlyozására, azaz a jel regenerálására. Mivel a szükségképpen két irányban elhelyezett erősítők paraméterei folyamatosan változnak (öregedés, külső hőmérséklet, stb.) ezért ez soha nem lehet tökéletes. Mivel a hiba halmozódik, ezért a sok erősítőn átmenő jelek várhatóan komolyan torzulnak. Ezzel szemben a digitális jelek tökéletesen helyreállíthatók, hiszen két lehetséges értékük van, az 1 és a 0. A digitális jelek helyreállításakor nem lép fel halmozódó hiba.

A digitális átvitel egy másik nagy előnye az, hogy egyetlen eszköz hatékonyabb kihasználását megengedve, különböző típusú adatok (hang, zene, normál adat, kép pl. televíziós kép vagy videotelefon stb.) kevert átvitelét teszi lehetővé. Ez természetesen a különféle típusú adatok bináris alakra kódolása segítségével valósul meg. További előny az, hogy a már meglevő vonalakon is nagyobb átviteli sebesség érhető el. Ahogyan a digitális számítógépek és integrált áramkörök ára tovább esik, úgy válik a digitális átvitel és a hozzá kapcsolódó kapcsolástechnika az analóg átvitelnél egyre olcsóbbá.

Az átvitel során mindig biteket viszünk át, de mivel eleinte szövegátvitelt valósítottak meg, ezért az átvitt információ egysége a bitcsoport volt, amely a szöveg egy karakterét kódolta. Az ilyen, bitcsoportokat átvivő módszert szokták karakterorientált átviteli eljárás-nak nevezni. Az átvitt információ egysége a karakter, és speciális ún. vezérlő karakterek biztosítják az átvitel megfelelő megvalósítását. A hálózati szabványokban, leírásokban a bájt kifejezés helyett az oktet (octet) fogalmát használják, ami egy 8 bites csoportot jelöl.

A hálózatok elterjedésével a szöveges jellegű információk mellett más jellegű információk átvitele is szükségessé vált, sokszor eltérő szóhosszúságú és adatábrázolású számítógépek között. Ezért a bitcsoportos átvitel helyett a tetszőleges bitszámú üzenetátvitel került előtérbe, ezek a bitorientált eljárás-ok.

Az átvitel során, mivel az a legtöbbször sorban, bitenként történik, valahogy biztosítani kell az adó és a vevő szinkronizmusát, azaz azt, hogy pl. a ötödiknek elküldött bitet a vevő szintén az érkező ötödik bitnek érzékelje.

A szinkron átviteli módszer-nél az egyes bitek jellemző időpontjai (kezdetük, közepük és a végük) egy meghatározott alapidőtartam egész számú többszörösére helyezkednek el egymástól. Ez azt jelenti, hogy egy üzenet bitjei szigorú rendben követik egymást. A szinkronizmust egy speciális bitcsoport érzékelése biztosítja. A vevő ezt érzékelve, már helyesen tudja az ezt követő biteket vagy bitcsoportokat (karaktereket) értelmezni.

  

31. ábra: Karakter átviteli módszerek

Az aszinkron karakterorintált eljárások legrégibb módszere a START-STOP átvitel. Ennél a szinkronizmus az adó és a vevő között csak egy-egy karakter átvitelének idejére korlátozódik. (A televízió technikában is alkalmazott ez a módszer: a soron belüli képpontok helyes megjelenítését a sorszinkron jellel (START jel!) szinkronizált soroszcillátor egy soron belül közel állandó frekvenciája biztosítja.)

A leírtakat a 31. ábrán foglaltuk össze.

Digitális jelek kódolása

A fizikai vonalon való átvitelnél a bitek ábrázolására több lehetőség is van, amely közül a legegyszerűbb az, mikor minden bitet, értékétől függően két feszültségszinttel ábrázoljuk. Szokásos az “1” állapotot MARK-nak, a 0-át SPACE-nek is nevezni. Az alábbiakban a különféle, a gyakorlatban használt lehetőségeket tekintjük át, a következők figyelembe vételével:

 

  1. Ha a használt kódolás kis sávszélességű (kevés váltást tartalmaz), akkor felhasználásával több információ is átvihető egy adott kommunikációs csatornán.
  2. Kicsi legyen a jelek egyenfeszültség összetevője, mivel a magas DC szintű jelek jobban gyengülnek, így az átviteli távolság csökken.
  3. Legyen elég váltás a jelfeszültségben, hogy az ADÓ és VEVŐ közötti szinkronizáció ezen váltások segítségével, minden külön eszköz, külön vonal nélkül legyen megvalósítható.
  4. A jelek ne legyenek polarizáltak, így kétvezetékes átvitelnél közömbös lehet a bekötés.

 

Röviden tekintsük át a létező megoldásokat:

NRZ - Non Return to Zero - Nullára vissza nem térő, azaz mindig az a feszültség van a vonalon, amit az ábrázolt bit határoz meg. Ez a leginkább gyakori, "természetes" jelforma.

 

32. ábra: NRZ kódolás

 

Ha egy bit 1-es, akkor a feszültség teljes bit idő alatt H szintű, ha 0-ás, akkor L szintű. Két vagy több egymás utáni 1-es bit esetén a feszültség megszakítás nélkül H-ban marad a megfelelő ideig, az egyesek között nem tér vissza 0-ra. Nem túl jó megoldás, mert : magas egyenfeszültség összetevője van (V/2), nagy sávszélességet igényel 0Hz-től (ha csak csupa 1-est vagy csupa 0-át tartalmaz a sorozat) az adatátviteli sebesség feléig (ha sorozat: 10101010...). Polarizált jel.

 

RZ - Return to Zero - Nullára visszatérő. A nulla a "nyugalmi állapot", 1 bitnél a bitidő első felében a +V, a második felében a jel visszatér a 0-ra:

 

33. ábra: RZ kódolás

Az NRZ kódoláshoz képest vannak előnyei: egyenfeszültség összetevője csak V/4, ha az adat csupa 1-est tartalmaz, akkor is vannak jelváltások (szinkronizáció). A legrosszabb a sávszélesség igénye: az maga az adatátviteli sebesség (ha az adatfolyam csupa 1-est tartalmaz). Bárkiben felmerülhet, hogy mi a helyzet a sok nullát tartalmazó sorozat esetében, hiszen ekkor sincsenek jelváltások, azaz a szinkronizáció problémás. Ilyen esetben azt a megoldást választják, hogy az adó pl. minden öt egymást követő nulla után egy 1 értékű bitet szúr be, amit a vevő automatikusan eltávolít a bitfolyamból.

 

NRZI - Non Return to Zero Invertive: Nullára nem visszatérő, "megszakadásos". A 0 bitnek nulla szint felel meg. Az 1 értékű bithez vagy nulla vagy +V szint tartozik a következő szabály szerint: ha az előző 1-eshez nulla szint tartozott, akkor +V lesz, ha az előző 1-eshez +V tartozott, akkor 0 szint lesz a bithez rendelt feszültség. 0 bitet követő 1 értékű bit mindig +V feszültségű.

 

34. ábra: NRZI kódolás

Ez a módszer az NRZ kisebb sávszélességét kombinálja a szinkronizálást biztosító kötelező jelváltásokkal, sok nulla esetén itt is használható a bitbeszúrás.

 

AMI - Alternate Mark Inversion - váltakozó 1 invertálás A módszer nagyon hasonló az RZ módszerhez, de nullára szimmetrikus tápfeszültséget használ, így az egyenfeszültségű összetevője nulla. Minden 1-es-hez rendelt polaritás az előző 1-eshez rendelt ellentettje, a nulla szint jelöli a 0-át. Természetesen hosszú 0-s sorozatok esetén a szinkronizáció itt is problémás, de a bitbeszúrási módszer (ld. később!) itt is használható.

  

35. ábra: AMI kódolás

HDB3 - High Density Bipolar 3 - Nagy sűrűségű bipoláris 3 - A módszer majdnem az AMI -val azonos, de a kódolásba beépítették a hosszú nulla sorozatok kezelését. Mikor 4 egymás utáni “0” bit következik, az utolsót megváltoztatjuk 000K-ra, ahol K polaritása azonos az előző 1-eshez rendelt polaritással. A két egymás utáni azonos polaritásból a VEVŐ már tudja, hogy a második nem 1-et hanem 0-át jelöl. Így már mindig van hosszabb nulla sorozatoknál is jelváltás, de a jelnek egyenfeszültségű összetevője keletkezne. Ezt is meg lehet oldani, ha a következő 0000 sorozat első B bitjét K bitjével azonos polaritásúnak választjuk. Mikor a VEVŐ egy B bitet vesz, azt hiszi, hogy az 1-hez tartozik, de mikor a K bitet is veszi, a B és K azonos polaritása miatt tudni fogja, hogy azok nullákat jelöltek.

  

36. ábra: HDB3 kódolás

PE - Phase Encode (Manchester) - Manchester kódolás Ennél jel-átmenet, ugrás jelképezi a biteket, de itt az ugrás irányának is jelentősége van: pl. 0-1 átmenet 1-es bitet, 1-0 átmenet 0-ás bitet jelöl.

37. ábra: PE kódolás

Akkor, amikor több azonos bit követi egymást, akkor a jelnek a két bit között "félidőben" vissza kell térnie az eredeti szintre azért, hogy a következő bit idején ugyanolyan irányú átmenet következhessen. A jel detektálásakor, visszaállításakor, az alapfrekvenciás, bit értékeket hordozó átmeneteket el kell különíteni a kétszeres frekvenciájú "hamis" átmenetektől (a mai technikában ez nem okoz nehézséget). Mivel az információt ennél a formánál is jel-átmenetek hordozzák, kiválóan alkalmas mágneses adatrögzítéshez is. Mivel minden bitnél van jelváltás, ezért a szinkronizálás nem okoz problémát. Az egyenfeszültségű összetevője nulla. A sok előnyös tulajdonsága mellett az egyetlen hátránya a gyakori jelváltások miatti nagy sávszélessége.

 

CDP - Conditional Diphase - Feltételes kétfázisú jel. A módszer az NRZI és a PE módszerek kombinációja:

“0” bitet az előző bithez tartozó jelváltás azonos iránya, míg az “1” bitet az előző bithez tartozó jelváltás ellentétes iránya jelzi. Ez a módszer nem érzékeny a jel-polaritásra.

  

38. ábra: CDP kódolás

Több módszert mutattunk be digitális jelek kódolására: a legegyszerűbb NRZ módszertől — amit az RS232 alapú protokolloknál használnak — a PE módszeren keresztül — amit az Ethernet hálózati protokoll alkalmaz — eljutottunk a viszonylag komplikált HDB3 kódolásig, amit távbeszélő rendszerekben alkalmaznak. A sávszélesség igény, a kábelezési rendszer, az adatátviteli sebesség mind meghatározza a kódolási rendszer kiválasztását.


Ábrajegyzék

Bevezetés

1.fejezet: A hálózatok célja, alkalmazása, alapfogalmak

2. fejezet: Általános elméleti alapok, Vonalak megosztása, Vezeték nélküli átviteli közeg, Analóg átvitel, Digitális átvitel(Karakterek ábrázolása - az ASCII kódrendszer, Unicode)Párhuzamos és soros adatátvitel, Aszinkron soros adatátvitel, Terminálkezelés, X.21 interfész, ISDN-integrált szolgáltatású digitális hálózat, Beágyazott rendszerek kommunikációja, Soros kommunikáció, Ellenőrző kérdések és válaszok

3.fejezet: Közeg-hozzáférési módszerek

4.fejezet: Adatkapcsolati protokollok

5.fejezet: Hálózati réteg

6.fejezet: A felsőbb rétegek

7.fejezet: Lokális hálózatok

8.fejezet: A TCP/IP protokoll és az Internet

9. fejezet: Szótár

Irodalomjegyzék

Tárgymutató