Приложения. Под цифровой связью или передачей данных понимают передачу дискретных сигналов

ЦИФРОВЫЕ СИСТЕМЫ СВЯЗИ [7]

Общие сведения [7]

Под цифровой связью или передачей данных понимают передачу дискретных сигналов. В аналоговых системах передают непрерывные сигналы, которые могут иметь самые различные значения. Дискретные сигналы могут иметь два и более, заранее определенных уровня состояния.

Если используются только 2 дискретных состояния, сигнал называется двоичным; если m состояний – m-ичным. Обычно m является четным числом. В некоторых более сложных системах связи встречаются четвертичные (4 уровня) и восьмеричные (8 уровней) сигналы. Наиболее часто используются двоичные сигналы

Следует иметь в виду, что сигнал на входе и выходе канала цифровой системы связи может иметь двоичную форму, но он не обязательно сохраняет ее на всем протяжении канала. В некоторых системах для упрощения передачи двоичный сигнал преобразуется в m-ичный, а затем в приемнике переводится в двоичную форму.

Уровни или состояния [7]

Уровни или состояния, допустимые в канале цифровой системы связи, в разных системах различны. Они могут изменяться даже на различных участках того же канала. В двоичных каналах обычно используются наиболее простые состояния - уровни напряжения.

На рис. 75 показано несколько форматов уровней.

а – двоичные числа; б – форма сигналов без возвращения к 0 (высокий уровень во время 1, низкий уровень – во время 0), в – форма сигналов с возвращением к 0; г – форма сигнала без возвращения к 0 с инверсией (переход в качестве 0, отсутствие перехода в качестве 1); д – «манчестерская» форма сигнала (положительный переход в качестве 0, отрицательный в качестве 1; е – двухфазная 1 или «манчестерская» форма сигнала II (каждый бит начинается с перехода, 1 имеет дополнительный переход, 0 дополнительного перехода не имеет); ж – одинарная плотность или FM – форма сигнала (синхроимпульс и информационный импульс в качестве 1, синхроимпульс без информационного импульса в качестве 0); з – двойная плотность или MFM-форма сигнала (информационный импульс в качестве 1, синхроимпульс в качестве 0, кроме тех, которым предшествовала 1); и – частотно-манипулированный (ЧМн) сигнал.

На рис. 75 показано несколько форматов уровней.

1 0 0 1 1 0 1 0

а)

б)

в)

г)

д)

е)

ж)

з)

и)

Рис. 75. Уровни состояний, используемые для двоичных сигналов

Все форматы, показанные на рис. 75 являются форматами положительной логики. Положительная логика означает соответствие положительного импульса напряжения или тока логической единице - 1 (метке). Отсутствие тока или напряжения или отрицательные их значения соответствуют логическому нулю - 0 (пробелу).

Инвертированная или отрицательная логика прямо противоположна положительной. Наличию импульса отрицательного напряжения или току соответствует логический 0.

«Земля» или отсутствие сигнала не обязательно является одним из состояний. В некоторых системах одному состоянию соответствует положительное напряжение, а другому - отрицательное.

Уровни сигналов не единственные состояния, используемые в цифровых системах связи. При частотной манипуляции для представления различных состояний используют две или несколько частот. При фазовой манипуляции для этих же целей используют различные фазы сигнала на одной частоте.

На рис. 75 показана частотная манипуляция применительно к двоичной системе. Иногда для определения состояний применяют сочетание изменения амплитуды с частотной манипуляцией. Используют также амплитудную модуляцию с частично подавленной боковой полосой. Такая модуляция представляет собой амплитудную модуляцию с отфильтрованной несущей и большей частью одной боковой полосой. При этом требуется гораздо меньшая ширина полосы пропускания, чем для амплитудно-модулированного сигнала.

Коды [7]

Бит – это наименьшая единица цифровой комбинации. Бит представляет собой логическую 1 или логический 0. Бит используют в качестве единицы информации в двоичной системе исчисления.

Сами по себе биты не имеют смысла до тех пор, пока поток битов не организован в соответствии с определенным кодом. Наиболее известным информационным кодом является американский стандартный код для обмена информацией (ASСII). Этот код является стандартом Американского института национальных стандартов (ANSI). Он входит также в подгруппу CСITTV.3. Это сокращенное название французского эквивалента Международной конференции но телефонной и телеграфной связи – международной организации по стандартам.

Американский код ASCII является подразделом предложенного организацией NAPLPS кода для текстовой и графической информации. Код ASCII является семиуровневым кодом, однако обычно его переводят в двоичный (рис. 76).

Рис. 76. Передача кодовой комбинации ASCII в форме двоичной последовательности

(стартовые и стоповые биты требуются только при асинхронной передаче)

1 – при отсутствии передачи кода канал поддерживается в состоянии метки

При этом первым отсылается самый младший двоичный разряд, последним самый старший. В некоторых системах этот код посыпается параллельно. (Примером может служить шина IEEE-488). Стартовые и стоповые биты не являются обязательными. Они необходимы при асинхронной передаче информации; когда кодовые комбинации задержаны между собой на определенный интервал. Стоповые биты заполняют между кодовыми комбинациями. Необходимо наличие хотя бы одного стопового бита, однако в некоторых системах их требуется не менее полутора или даже двух. При асинхронной передаче система остается в состоянии стопового бита (метки) до последней следующей кодовой комбинации.

Если данные посылаются синхронно, стартовые и стоповые биты не используются. При синхронной отсылке кодовых комбинаций задержка между ними отсутствует. Если в синхронной системе необходимо заполнение между кодовыми комбинациями, оно осуществляется посредством знака синхронизации.

Между старшим разрядом кодовой комбинации ASCII и стоповым битом можно передавать контрольный бит четкости, который используют для обнаружения ошибок (код обнаружения ошибок). Четность кодовой комбинации определяется количеством единиц или меток в ней. Проверку четности осуществляют двумя способами. Если необходимо убедиться в том, что кодовая комбинация нечетная, к сообщению добавляется бит четности (логическая единица) – проверка на четность. Проверка на четность означает добавление бита при необходимости убедиться в четности кодовой комбинации.

Коды модно использовать и для шифрования данных с целью их засекречивания.

Пропускная способность канала [7]

Информационная скорость передачи это скорость с которой передаются данные. Обычно она измеряется в битах в секунду.

Пропускная способность канала – это наивысшая скорость, с которой можно передать информацию в этом канале. Она измеряется в бодах. Скорость передачи данных всегда меньше или равна пропускной способности канала. Например, данные можно передавать асинхронно кодом ASCII по каналу с пропускной способность 300 бод. Однако, вследствие переменной длины стоповых битов скорость передачи данных может быть меньше 300 бит/с.

Частотная манипуляция [7]

В модемах используют несколько методов генерации частотно-манипулированных сигналов. На рис. 77 приведена структурная схема реализации одного из методов, встречающаяся в большинстве современных модемов. Применение кварцевого генератора обеспечивает большую стабильность частоты (следовательно, лучшие характеристики) по сравнению с другими генераторами. Цифровые схемы (даже сверхбольшие ИМС в некоторых наиболее современных модемах) используются из-за их небольшой стоимости, стабильности и легкости обслуживания.

Частоту генератора выбирают кратной обоим частотам передачи. Делитель обеспечивает синхронность передачи обоих частот. В результате улучшаются характеристики модема.

Данные, поступающие на модем, управляют селектором цифровых данных или мультиплексором, определяя частоту передачи. Фильтр передатчика подавляет гармоники, находящиеся вне полосы частоты канала. В основном применяются активные фильтры. В качестве такого фильтра обычно используются операционный усилитель на ИС с резистивно-емкостной обратной связью.

Рис. 77. Структурная схема ЧМн-модема (модема с частотной манипуляцией):

а) структурная схема модема; б) структурная схема системы ФАПЧ

(фазовой автоматической подстройки частоты)

Фильтры модемов АМТС, преобразующие прямоугольный импульсный входной сигнал в почти чистую синусоиду, отличаются большой сложностью. Изредка встречаются модемы несущей конструкции, совсем не имеющие фильтров с простыми полосовыми фильтрами. В полудуплексном канале передатчик и приемник соединяются с линией посредством диплексора. В модеме дуплексного канала диплексор не пропускает на приемник передаваемый сигнал. Большинство диплексоров выполнено на основе операционных усилителей. Диплексоры модемов тока несущей блокируют также линию питания или речевые частоты от передатчика и приемника. Фильтр приемника улучшает отношение сигнал/шум. Он уменьшает полосу частот сигнала, подаваемого на детектор, до необходимого минимума. Обычно это активный фильтр. Иногда он сочетается с диплексором.

Схемы детекторов, выпускаемых различными изготовителями, отличаются друг от друга. Одним из популярных методов является использование активных фильтров, настроенных на каждую частоту. Компаратор сравнивает выходные сигнала фильтров и, в зависимости от их относительной величины, устанавливают логический уровень выходного сигнала модема.

В некоторых модемах фильтры заменяют схемами фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ). Каждая такая схема настраивается на одну из частот модема. По существу каждая схема ФАПЧ играет роль активного фильтра.

В других приемниках вместо двух фильтров используют одну схему ФАПЧ, частота настройки которой находится примерно посередине между частотами двух модемов. В сущности система ФАПЧ выполняет функции преобразователя частоты напряжения. Выходной сигнал схемы ФАПЧ управляет компаратором, который определяет логический уровень выходного сигнала модема.

Фазовая манипуляция [7]

Структурная схема модема с фазовой манипуляцией приведена на рис. 78. Отметим, что модемы с частотной и фазовой манипуляцией очень похожи. Однако между ними существуют и серьезные различия.

Во-первых, модем с фазовой манипуляцией передает четвертичные сигналы. На рис. 78б показана векторная диаграмма, иллюстрирующая четыре состояния. Векторную диаграмму можно представить в виде стрелок (или векторов, исходящих из одной точки начала координат). Длина вектора пропорциональна среднеквадратичному (эффективному) значению синусоидального сигнала. Угол между вектором и абсциссой или горизонтальной осью равен фазовому углу синусоидального сигнала.

кварцевый генератор

В1

селектор данных

сдвиговый регистр

умножитель частоты на 4

фильтр приемника

делитель частоты и фазы

а)

б)

Рис. 78. Структурная схема ФМн модема (модема с фазавой манипуляцией):

а) структурная схема модема; б) фазовые диаграммы ФМн сигнала

Поскольку модемы передают четвертичные сигналы, сдвиговой регистр функционирует как двухразрядный преобразователь последовательного кода в параллельный. В сдвиговой регистр записываются два бита данных. Затем содержимое регистра фиксируется двухразрядным буферным устройством, которое хранит его для селектора данных, в то время как в сдвиговой регистр вводятся еще 2 бита. В приемнике обратный процесс осуществляется двухразрядным преобразователем параллельного кода в последовательный.

Отметим, что селектор данных или мультиплексор имеет два входа. У схемы делителя четыре выхода, сигналы на которых имеют одинаковую частоту, но отличаются по фазе на четверть периода.

Существует множество схем детектирования ФМн сигналов. Если необходимо, для восстановления несущей применяют схемы деления и умножения частоты (на четыре). Выходной сигнал схемы умножителя находится в фазе с несущей вне зависимости от уровня модуляции. Это справедливо и для выходного сигнала удвоителя частоты, если используется двухуровневая фазовая манипуляции.

Фазы несущей и входного сигнала сравнивают для определения выходных данных. В качестве фазового детектора обычно применяют умножитель (или какую-либо другую нелинейную схему) и интегратор (или фильтр нижних частот).

Рис. 79. Демодулированные сигналы

На рис. 79 показаны демодулированные сигналы на выходе фазового детектора. Умножитель представляет собой логический элемент И. Выборка произведения сигналов дважды за период, позволяет получить цифровой код, соответствующей фазе (рис. 79). По существу взятие выборок является цифровым интегрированием.

Стандарт RS-232C [7]

Этот стандарт первоначально был предназначен для определения
условий соединения обработки данных с устройствами сопряжения. Теперь он
используется для широкого круга межсоединений в цифровых системах связи.

RS-232C является стандартом ANSI и EIA. В Европе подобный стандарт обозначается как CСITTV.24. В качестве соединителя в нем указан субминиатюрный 25-контактный разъем D. В таблице 18 приведено назначение различных контактов. Отметим, что для устройства сопряжения, соответствующего стандарту RS-232C, логической 1 является отрицательное напряжение. Положительное напряжение служит логическим 0. Однако управляющие сигналы представляют собой инвертированную логику. Следовательно, действительные управляющие сигналы имеют положительное значение, а ложные – отрицательное. Полярность напряжений может создавать путаницу.

Ниже приведены некоторые особенности стандарта RS-232С

Все сигналы несимметричные.

Передаваемая логическая 1 (метка), В от -5 до -15

Передаваемый логический 0 (пробел), В от +5 до +15

Принимаемая логическая 1, В от -3 до -25

Принимаемый логический 0, В от +3 до +25

Формат данных не указывается (обычно

отсылается асинхронно кодом ASCII)

Допустимая скорость передачи данных, бод до 19200

Обычные скорости, бод 75,110,150,300,600,1200,1800,

2400,4800,9600,19200 и выше

Максимальная рекомендуемая длина кабеля, м 1524 (допускаются

и более длинные отрезки)

Соединитель 25-контактный субминиатюрный

разъем типа MIL-C-24308

Сопротивление источника, Ом > 3000

Полное сопротивление нагрузки:

активное, КОм 3-7

емкость, пф ≤ 2500

а)

б)

Рис. 80. Временная диаграмма управляющих сигналов интерфейса RS-232С: а) дуплексный канал; б) полудуплексный канал (отличается только сигнал «запрос разрешения на передачу данных» и «разрешение передачи данных»

Таблица 18

Назначение контактов стандартного разъема RS-232C

Обозначения меняя	Функция
Контакт	RS-323C	ССIТТ	Логика
	АА		-	Защитное заземление
	ВА		-	Передача данных в аппаратуру передачи данных (АПД)
	ВВ		-	Прием данных от АПД
	СА		RTS	Запрос разрешения на передачу данных в АПД
	СВ		СTS	Разрешение передачи данных в АДП
	CC		DSR	Набор данных готов в АПД
	АB		SG	«Подвешенная земля» (общий обратный провод)
	CF		LSD	Обнаружение сигнала приемной линии (иногда обозначаемое как обнаружение носителя информации) от АПД
	-	-	-	Резерв для контроля набора данных
	-	-	-	Резерв для контроля набора данных
	-	-	-	Функция не назначена
	SCF		-	Детектор сигнала дополнительного канала приемной линии от АПД
	SCB		-	Разрешение использования дополнительного канала для передачи данных из АПД
	SBA		-	Передача данных по дополнительному каналу в АПД
	DB		-	Синхронизирующий элемент сигнала передатчика от АПД
	SBB		-	Прием данных по дополнительному каналу от АПД
	DD		-	Синхронизирующий элемент сигнала приемника от АПД

Продолжение таблицы 18

	-	-	-	Функция не назначена
	SCA		-	Запрос разрешения использования дополнительного канала для передачи данных в АПД
	CD	108,2	DTR	Терминал обработки данных готов к работе в АПД
	CG		-	Детектор качества сигнала от АПД
	CE		RI	Кольцевой индикатор АПД
	СН/CI	111/112	-	Селектор скорости передачи данных к/от АПД
	DA		-	Синхронизирующий элемент сигнала, передаваемого в АПД
	-	-	-	Функция не назначена

На временной диаграмме (рис. 80) показана взаимосвязь управляющих сигналов для дуплексных и полудуплексных каналов. Следует иметь в виду что многие изготовители не соблюдают стандарты. Очень часто пороги приема превышают 3В или не достигают 3В. Другим нарушением является инвертирование (использование обычной логики вместо инвертированной) некоторых или всех управляющих сигналов. Некоторые изготовители совмещают защитное и сигнальное заземление или отказываются от защитного заземления.