Codificarea datelor in semnale

Codificarea datelor in semnale

Datele pot fi transmise prin cablu sub forma de semnale. Problema care se pune este de a codifica datele din forma binara in semnale, la gazda sursa, care pot fi transmise prin mediul de comunicatie, si invers, la gazda destinatar. Acest lucru se poate realiza prin variatia unor marimi fizice, cum este cazul tensiunii curentului electric, cand mediul de comunicatie este cablul sau intensitatii luminii, cand mediul de comunicatie este fibra optica. Placa de retea contine o componenta care transforma sirurile de biti in semnale si invers. Deci, semnalele circula pe cablu intre aceste componente, iar fluxurile de bitii sunt transmise de la o placa de retea la alta. Pentru a realiza codificarea, vom asocia bitului 1 o valoare pozitiva a curentului electric sau prezenta semnalului luminos, pe care generic o vom nota cu "high", respectiv o tensiune negativa sau zero, desemnata prin starea "low". Semnalele care circula sub aceasta forma se numesc semnale digitale, adica un semnal ale carui valori se identifica prin valori sau niveluri discrete. Spre deosebire de semnalul discret, semnalul analogic, cum ar fi vocea sau muzica este un semnal care variaza continuu.

Modelarea comportamentului semnalului se poare realiza cu ajutorul seriilor Fourier. Orice functie periodica cu o comportare rezonabila, g(t), cu perioada T poate fi construita prin insumarea unui numar (posibil infinit) de sinusoide sau cosinusoide.

(2.1)

unde este frecventa fundamentala, iar a_n si b_n sunt amplitudinile sinusurilor si cosinusurilor armonicei (termenului) n. Pornind de la seria Fourier, functia poate fi reconstruita, adica daca perioada T este cunoscuta si amplitudinile sunt date, functia de timp originala poate fi evaluata folosind sirurile din (2.1).

Amplitudinile a_n pot fi calculate pentru orice g(t) inmultind ecuatia (1) cu sin(2πkft) , urmata de integrarea de la 0 la T . Deoarece

Numai termenul a_n din suma de sinusuri nu se anuleaza. La fel multiplicand ecuatia (2.1) cu cos(2πkft) si integrand de la 0 la T obtinem b_n. Prin integrarea ambilor membrii ai ecuatiei originale, se poate obtine c. Rezultatele obtinute astfel sunt:

Radicalul sumei patratelor amplitudinilor, exprima energia transmisa la frecventa respectiva.

Pentru a face legatura dintre cele prezentate si comunicarea de date sa consideram urmatorul exemplu: transmisia caracterului ASCII "b" codificat pe un octet. Bitii ce urmeaza sa fie transmisi sunt 01100010. Putem atasa acestui semnal digital functia al carei grafic este prezentat in figura 2.1. Tinand cont de forma functiei coeficientii sunt:

1

0

timp T

Figura 2.1 Reprezentare grafica a unui semnal binar

Semnalul analogic poate fi descompus intr-o secventa de unde sinusoidale de diverse frecvente si amplitudini. Frecventa este masurata in cicluri∕sec sau Hertzi (HZ). Amplitudinea este valoarea tensiunii maxime. Un alt parametru al undei sinusoidale este faza undei sau defazajul, care este semnificativa doar in raport cu o alta sinusoida de aceeasi frecventa. Doua sinusoide diferite, dar cu aceeasi frecventa pot fi comparate prin valoarea cu care una dintre ele este inaintea sau in urma celeilalte. Deoarece o perioada completa a undei sinusoidale are loc in 360 de grade, putem considera diferenta dintre doua unde exprimata in grade.

Modulatia este procesul de utilizare a unui anumit mediu ca purtator al informatiei transmise intre doua puncte. Deoarece frecventa, amplitudinea si faza caracterizeaza complet o sinusoida, acestia sunt singurii parametri ai purtatoarei sinusoidale care pot fi modificati prin modulare pentru a transmite informatii sub forma de semnal analogic de la un modem la altul. Modemul (Modulator-Demodulator) este componenta care transforma semnalele discrete in semnale analogice.

Nu exista un mijloc de transmisie care sa poata trimite semnale fara pierdere de putere in timpul procesului. Daca toate componentele Fourier ar fi micsorate in aceeasi masura atunci semnalul rezultat ar fi atenuat in amplitudine dar nu ar prezenta distorsiuni. In practica , orice mijloc de transmisie atenueaza anumite componente Fourier in diferite proportii introducand astfel distorsiuni. De obicei amplitudinile sunt transmise fara atenuari de la o anumita frecventa f_p (masurata in cicluri∕sec. sau Hertzi (HZ)) iar toate celelalte amplitudini cu frecvente mai mici decat aceasta frecventa de prag sunt puternic atenuate. In unele cazuri aceasta este o proprietate fizica a mediilor de transmisie, in timp ce in altele este introdus intentionat un filtru in circuit pentru a limita banda de frecventa disponibila fiecarui client.

Timpul T necesar pentru transmiterea caracterului depinde atat de metoda de codificare cat si de viteza semnalului (de cate ori pe secunda se schimba valoarea semnalului). Numarul de variatii pe secunda se masoara in baud. O linie cu o viteza de transfer de b baud nu transmite implicit b biti pe secunda, deoarece un semnal poate transmite mai multi biti. Daca se utilizeaza tensiunile 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 fiecare semnal poate fi folosit pentru transmiterea a trei biti, rezultand un numar de biti transferati pe secunda de trei ori mai mare decat viteza de transmisie. In exemplul nostru au fost folositi doar 0 si 1 ca nivele de semnal, numarul de biti transferati pe secunda fiind egal cu viteza de transmisie.

Pentru o anumita viteza de b biti pe secunda, timpul necesar pentru a transmite 8 biti este 8 b/ sec., frecventa primei armonice fiind b⁄8 Hz. O linie telefonica obisnuita, deseori numita linie in banda vocala (voice grade line) are introdusa artificial o frecventa de prag in jurul frecventei de 3000 Hz. Aceasta restrictie conduce la rezultatul ca numarul celei mai mari armonice care poate fi transmisa este aproximativ de 3000⁄( b⁄8) , adica 24000⁄b (frecventa de prag nu este foarte exacta).

Banda de transfer(bandwidth) este data de numarul de biti ce pot fi transmisi peste o retea intr-o anumita perioada de timp. De exemplu, o retea poate avea o banda de transfer de 10 000 000 / sec sau 10 Mbps, adica ea este capabila sa furnizeze 10 000 000 de biti la fiecare secunda, ceea ce inseamna ca la fiecare 0,1 microsecunde( ms) este transmis un bit. Semnalele digitale utilizeaza intreaga banda de transfer a unui canal. In cazul semnalelor analogice este posibila divizarea benzii de transfer astfel incit sa se poata transmite pe acelasi canal semnale diferite, de exemplu, prin divizarea domeniului de frecvente. Apare astfel conceptual de multiplexare, adica folosirea canalului de comunicatie de mai multi utilizatori care transmit semnale in benzi de frecventa diferite.

Intarzierea (delay sau latency) inseamna intervalul de timp necesar unui mesaj pentru a ajunge de la o gazda la alta. Asa cum vom vedea mai tarziu, pentru anumite mesaje transmise de la o gazda la alta, este necesara confirmarea acestuia. Timpul scurs de la transmiterea mesjului pana la confirmarea lui se numeste timp dus/intors(RTT - Round Trip Time). Intarzierea are trei componente:

componenta legata de viteza de propagare a semnalului, datorata proprietatilor fizice ale mediului de comunicatie;

componenta legata de banda de transfer;

componenta legata de asteptarea in coada a pachetului de date, inaunte de a fi transmis pe mediul de comunicatie.

Daca notam cu: D lungimea firului pe care datele il vor parcurge, V viteza cu care datele parcurg mediul de comunicatie, B largimea benzii de transfer, I intarzierea, Q timpul de asteptare in coada, atunci:

I = D/V + S/B + Q.

Banda de transfer si intarzierea definesc impreuna caracteristicile de performanta ale unei linii de transmitere a datelor.

Daca privim canalul de comunicatie ca o conducta (pipe), atunci produsul

Intarziere Banda de transfer

reprezinta volumul conductei, adica numarul de biti pastrati in conducta. Acest produs corespunde numarului de biti pe care il poate transmite gazda emitator, pana cand primul bit va ajunge la gazda primitor. Daca emitatorul asteapta confirmarea primirii datelor transmise, atunci el poate transmite un numar de biti cel mult egal cu valoarea produsului amintit.