لایه فیزیکی

1. لایه فیزیکی • مفاهیم داده و سیگنال • انتقال دیجیتال • انتقال آنالوگ • تکنیکهای استفاده بهینه پهنای باند • مفاهیم سوئیچینگ • استفاده از خطوط تلفن برای ارسال داده

2. مفهوم انتقال دیجیتال • استفاده از سیگنال دیجیتال برای انتقال داده (دیجیتال یا آنالوگ) • داده دیجیتال روی سیگنال دیجیتال  داده دیجیتال باید به سیگنال دیجیتال تبدیل شود • داده آنالوگ روی سیگنال دیجیتال  داده آنالوگ باید به سیگنال دیجیتال تبدیل شود

3. تبدیل دیجیتال به دیجیتال • تبدیل داده دیجیتال به سیگنال دیجیتال شامل عملیات • Line Coding (الزامی) • Block Coding (اختیاری) • Scrambling (اختیاری)

4. Line coding and decoding

5. واحد سیگنال و داده • واحد داده • عبارت از کوچکترین جزئی که شامل بخشی از اطلاعات است (بیت) • واحد سیگنال • عبارت از کوچکترین واحد زمانی سیگنال ارسالی است • واحدهای داده: اطلاعات مورد نظر برای ارسال • واحدهای سیگنال: اطلاعات قابل ارسال

6. مقایسه واحد های سیگنال و داده

7. نرخ داده و سیگنال • نرخ داده (نرخ بیت) • تعداد واحدهای داده (بیت ها) در مدت 1 ثانیه • نرخ سیگنال (baud) • تعداد واحدهای سیگنال ارسالی در مدت 1 ثانیه • هدف در انتقال داده: • افزایش نرخ داده  افزایش سرعت انتقال • کاهش نرخ سیگنال  کاهش پهنای باند اشغالی

8. مثال در سیستم انتقالی هر واحد داده توسط یک واحد سیگنال حمل میشود. اگر نرخ بیت 100 Kbpsباشد، نرخ سیگنال را برای حالت متوسط داده بدست آورید.

9. رابطه پهنای باند و نرخ داده • یادآوری: پهنای باند مشخصه کانال بوده ولی نرخ داده مشخصه اطلاعات است • اطلاعات ابتدا تبدیل به سیگنال شده سپس در کانال جاری میشود  پهنای باند مستقیما با نرخ سیگنال در ارتباط است

10. مثال آیا حداکثر نرخ داده بدست آمده در رابطه پیش با رابطه نایکوئیست سازگار است؟ سیگنالی با L سطح دارایlog Lبیت در هر سطح است. اگر هر واحد سیگنال یک واحد داده را حمل کند و تغییرات داده دارای شرایط متوسط باشد، داریم:

11. کدینگ خط

12. Unipolar NRZ scheme

13. Polar NRZ-L and NRZ-I schemes • سطح ولتاژ (NRZ-L) یا معکوس شدن آن (NRZ-I) تعیین کننده مقدار بیت • سوال: کدام مدل کدینگ قطبی در مقابل توالی بیت ها مقاوم تر است؟ • هردو مدل دارای مولفه DC هستند

14. Polar RZ scheme • مشکل اساسی همه کدینگ های NRZ: حساس به همزمانی بین فرستنده و گیرنده • اگر ساعت گیرنده سریعتر از ساعت فرستنده باشد، چه اتفاقی رخ میدهد؟ • کدینگ RZ از سه سطح ولتاژ برای کد کردن داده استفاده میکند، دو سطح برای هر بیت  نیاز به پهنای باند بیشتر

15. Polar biphase: Manchester and differential Manchester schemes • جایگزین برای NRZ (L/I): بدون مولفه DC و مشکل همزمانی • همزمانی توسط تغییر سطح بین بیت انجام میشود

16. Bipolar schemes: AMI and pseudoternary • در کدینگ های دوقطبی از سه سطح ولتاژ استفاده میشود: یک بیت با سطح صفر و بیت بعدی بطور متناوب به یکی از دو سطح باقیمانده کد میشود. • AMI: تغییر سطح برای بیت 1 • Pseudoternary: تغییر سطح برای بیت 0

17. کدینگ چند سطحی • هدف: افزایش نرخ بیت ارسالی با افزایش تعداد بیت در هر baud • چند سطح: تبدیل گروهی از m واحد داده به گروهی از n واحد سیگنال با شرط • حالت مساوی: هر نمونه داده به یک نمونه سیگنال تبدیل میشود • تعداد نمونه سیگنال بیشتر: نمونه های اضافه میتواند برای تامین همزمانی یا تصحیح خطا استفاده شود • این نوع کدینگ به mBnL معروف است، مثال: 2B1Q دو نمونه داده باینری به یک نمونه سیگنال 4 سطحی تبدیل میشود

18. Multilevel: 2B1Q scheme • مورد استفاده: تکنولوژی های DSL

19. Multilevel: 8B6T scheme • مورد استفاده: در اترنت با کابل های 100Base-4T • نمونه های 8-بیت داده به نمونه های 6-سطح سیگنال (سه سطحی) تبدیل میشود • تعداد 222 نمونه سیگنال اضافه • وزن هر نمونه سیگنال 0 یا +1 است • وزن منفی در نمونه سیگنال برای حذف مولفه DC

20. Multilevel: 4D-PAM5 scheme

21. Multitransition: MLT-3 scheme • استفاده از سه سطح و سه قانون تغییر • بیت بعدی 0: بدون تغییر • بیت بعدی 1 و سطح فعلی غیر 0: سطح بعدی برابر 0 • بیت بعدی 1 و سطح قبلی 0: سطح بعدی معکوس سطح غیر صفر قبلی

22. مفهومBlock Coding • کدینگ مازاد بر کد خط • موارد استفاده • بهبود کارائی کدینگ خط • تولید کدهای اضافه (Redundancy) یا نمونه سیگنال بیشتر برای کشف خطا • مراحل کدینگ بلوکی • تقسیم: تقسیم رشته بیت اصلی به گروه های mبیتی • جایگزینی: جایگذاری هر گروه mبیت با گروه nبیتی • ترکیب: ترکیب گروه های nبیتی و تولید رشته بیت جدید

23. کدینگ بلوکی معمولا به کدینگmB/nB معروف است و پیش از کدینگ خط برای تناسب با آن انجام میشود چرا که هر گروه m بیتی به یک گروه n بیتی تبدیل میشود. مثال: 4B/5B، که در آن گروه های 4 بیتی با گروه های 5 بیتی جایگزین میشوند.

24. Block coding concept

25. کدینگ 4B/5B • همراه با کدینگ خط NRZ-I و برای تامین همزمانی • یادآوری: درکدینگ NRZ-I، 0های متوالی باعث از دست رفتن همزمانی گیرنده میشود • راه حل: حذف توالی 0 پیش از اعمال NRZ-I • خروجی 4B/5B دارای 16 کد اضافه میباشد که برخی برای مقاصد خاص استفاده میشود • نکته: کدینگ 4B/5B نرخ سیگنال را به میزان 5/4 افزایش میدهد

26. 4B/5B mapping codes

27. Substitution in 4B/5B block coding

28. مثال • برای ارسال داده با نرخ 1Mbps اگر از ترکیب کدینگ های 4B/5B و NRZ-I استفاده شود، حداقل پهنای باند لازم را بدست آورید. • با اعمال 4B/5B نرخ سیگنال به 1.25Mbps میرسد (این مقدار بعنوان نرخ داده برای NRZ-I محسوب میشود). • حداقل پهنای باند وقتی از NRZ-I استفاده شود  N/2 = 625kHz

29. کدینگ 8B/10B • بصورت ترکیبی از دو بلوک 5B/6B و 3B/4B استفاده میشود • برای جلوگیری از توالی های 0 و 1 طراحی شده است

30. Scrambling • برای بهبود کارائی کدینگ های دوفاز (AMI) استفاده میشود (کدینگ های دو خط دارای چه مشکلی هستند؟). • ترکیب کدینگ بلوکی و NRZ قابلیت حذف مولفه DC را ندارد • Scrambling در دو مدل B8ZS و HDB3 ارائه شده است

31. B8ZS (Bipolar with 8-Zero Substitution) • توالی های 8تائی 0 با کد 000VB0VB جایگذاری میشود • B در کد بمعنی سطح غیر صفر AMI و V بمعنی سطح غیر صفر بر خلاف قانون AMI

32. HDB3 (High-Density Bipolar 3-zero) • از دو کد 000V و B00V بجای توالی چهار 0 استفاده میشود • تعداد سطوح غیر صفر قبلی زوج  جایگذاری چهار 0 با B00V • تعداد سطوح غیر صفر قبلی فرد جایگذاری چهار 0 با 000V

33. تبدیل آنالوگ به دیجیتال • دومین فرم از انتقال دیجیتال، استفاده از سیگنال دیجیتال برای ارسال داده آنالوگ (پیوسته در زمان) • برای این نوع تبدیل، در داده آنالوگ بایستی گسستگی زمانی ایجاد کرد • روش های استفاده شده برای ایجاد گسستگی • نمونه برداری از سیگنال داده در مقاطع زمانی مشخص • شبیه سازی تغییرات با توابع پله ای • روشها: مدولاسیون کد کردن پالس (PCM) و مدولاسیون دلتا (DM)

34. Components of PCM encoder

35. Three different sampling methods for PCM

36. نکته: براساس تئوری نایکوئیست، برای تولید مجدد داده آنالوگ نمونه برداری باید با دو برابر حداکثر فرکانس سیگنال داده انجام شود.

37. تئوری ناکوئیست برای سیگنال های پائین گذر و میان گذر

38. بازسازی مجدد سیگنال آنالوگ ساده نمونه برداری شده با نرخ های متفاوت

39. مثال • نرخ نمونه برداری برای سیگنال های پائین گذر و میان گذر با پهنای باند 200kHz چقدر است؟ • سیگنال پائین گذر: حداکثر فرکانس برابر 200kHz است  نرخ نمونه برداری بایستی 400 نمونه در ثانیه (sample/s) باشد. • سیگنال میان گذر: چون محل قرار گیری سیگنال روی طیف مشخص نیست امکان محاسبه وجود ندارد

40. کوانتیزه کردن • نتیجه نمونه برداری از سیگنال مجموعهای از پالس ها با دامنه های متفاوت بین حداقل و حداکثر دامنه سیگنال خواهد بود • تعداد نمونه های زیاد برای کدینگ مناسب نیست  کوانتیزه کردن برای محدود کردن تعداد نمونه ها استفاده میشود • مراحل • با فرض Vmin و VMax بعنوان سطوح پائین و بالای سیگنال، محدوده به L سطح بصورت زیر تقسیم میشود • مقادیر کوانتیزه بین 0 و L-1 به نقاط میانی هر نمونه اختصاص داده میشود • مقدار هر نمونه با مقدار سطح کوانتیزه تقریب زده میشود

41. کوانتیزه کردن Vmin = -20 VMax = +20 L = 8 ∆ = 5

42. مثال • برای کوانتیزه کردن صدای انسان با 8 بیت، به چه نرخ داده ای نیاز است؟ • حداکثر فرکانس صدا 4000Hz است.

43. Components of a PCM decoder