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William Stallings
Data and Computer Communications
Chapter 3
Data Transmission
术语(Terminology) (1)
传送器(Transmitter)
接收器(Receiver)
介质(Medium)
导线式介质(Guided medium)
如双绞线(twisted pair),光纤(optical fiber)
非导线式介质(Unguided medium)
如空气(air),水(water),真空(vacuum)
术语(Terminology) (2)
直接连结线(Direct link)
无间接设备(intermediate devices)
点对点(Point-to-point)
直接连线(Direct link)
直有2个设备共用(share)连接线(link)
多点(Multi-point)
多於两个设备共用连接线
术语(Terminology) (3)
单工(Simplex)
单一方向(One direction)
如电视(Television)
半双工(Half duplex)
任一方向(Either direction), 但在同一时间只有一个方向
如警用对话机(police radio)
全双工(Full duplex)
可双向同时进行
如电话(telephone)
频率(Frequency), 频谱(Spectrum) 及频宽(Bandwidth)
时域(Time domain)观念
连续性讯号(Continuous signal)
以平滑方式依时间而变化
离散性讯号(Discrete signal)
维持在一固定准位(constant level),然后又改变至另一固定准位
周期性讯号(Periodic signal)
一直重复的(repeated)样态(Pattern)
非周期性(Aperiodic signal)
样态(Pattern)不随时间一再重复
连续性(Continuous) & 离散性(Discrete)讯号(Signals)
周期性(Periodic)
讯号(Signals)
正弦波(Sine Wave)
尖峰(Peak)振幅(Amplitude) (A)
讯号(signal)之最大强度(maximum strength)
伏特(volts)
频率(Frequency) (f)
讯号改变的速率(rate of change)
赫(Hertz, Hz) 或每秒之周期数(cycles per second)
周期(Period) = 每次重复(one repetition)所花时间 (T)
T = 1/f
相位(Phase) ( )
在时间上之相对位置(Relative position in time)
变动的(Varying)正弦 (Sine)波
波长(Wavelength)
一次循环(cycle)所占距离(distance)
两个连续周期(consecutive cycles)之对应相位(corresponding phase )的间隔
假设讯号传递速度(signal velocity) v
= vT
f = v
c = 3*108 ms-1 (在真空中的光速,speed of light in free space)
频域(Frequency Domain)观念
讯号通常由许多不同的频率所组成
个别成份(Components)为正弦波
由傅立叶分析(Fourier analysis)可以证明任何讯号可由正弦波所组成
可以画出其频域(frequency domain)函数(functions)
频率成份之相加
(Addition of
Frequency
Components)
频域
(Frequency
Domain)
频谱(Spectrum) & 频宽(Bandwidth)
频谱(Spectrum)
含於讯号中之频率范围(range of frequencies)
绝对频宽(Absolute bandwidth)
频带之宽度(width of spectrum)
有效频宽(Effective bandwidth)
常简单称为频宽(bandwidth )
含大部分能量(energy)之相当窄的频带(band of frequencies)
直流成份(DC Component)
频率为 0 (zero frequency)的成份
具有直流成份之讯号(Signal with DC Component)
资料率(Data Rate)与频宽(Bandwidth)
任何传输系统的频带(band of frequencies)是有限的
这限制了能载送的资料率
类比(Analog)与数位(Digital)资料传输(Data Transmission)
资料(Data)
用来传递(convey)讯息(meaning)的实体(Entities)
讯号(Signals)
资料之电气(Electric)或电磁的(electromagnetic)编码方式(representations)
传输(Transmission)
利用讯号的传递(propagation)与处理(processing)而达到资料通讯(communication of data)
资料(Data)
类比式(Analog)
在任何时段(interval)是连续值(continuous values)
如声音(sound),影像(video)
数位式(Digital)
离散的值(Discrete values)
如文字(text),整数(integers)
语音的(Acoustic)频谱(Spectrum) (Analog)
讯号(Signals)
藉以传送(propagate)资料
类比式(Analog)
连续性地变动的(Continuously variable)
各种介质(Various media)
缆线(wire), 光纤(fiber optic), 太空(space)
说话频宽(Speech bandwidth) 100Hz 至 7kHz
电话频宽(Telephone bandwidth) 300Hz 至o 3400Hz
影像频宽(Video bandwidth) 4MHz
数位的(Digital)
使用二分直流成份(DC components)
资料(Data)与讯号(Signals)
一般是以数位讯号传数位资料,类比讯号传类比资料
可用类比讯号传数位资料
如数据机(Modem)
可用数位讯号载送类比资料
如光碟音乐(Compact Disc audio)
类比讯号载送类比与数位资料
数位讯号载送类比与数位资料
类比传输(Analog Transmission)
不管内容为何均以类比讯号(Analog signal )传输
可以是类比资料或是数位资料
随距离(distance)而衰减(Attenuated)
使用放大器(amplifiers)以增强(boost)讯号
但同时也放大杂讯(amplifies noise)
数位式传输(Digital Transmission)
必须考量资料内容(content)
杂讯(noise)或讯号衰减(attenuation)等因素将危及其完整性(integrity)
使用再生器(Repeaters)
再生器接受讯号
还原(Extracts)位元0与1(bit)的型样(pattern)
再传送(Retransmits)新的讯号
克服衰减(Attenuation)问题
杂讯不会被放大
数位传输的优点
数位技术(Digital technology)
大型与超大型积体电路(LSI/VLSI)技术之成本下降
资料完整性(Data integrity)
可在较低品质(lower quality)的线路上使资料传得更远(Longer distances)
传输能力利用率(Capacity utilization)
建立高频宽线路(High bandwidth links)变得较经济(economical)
以数位技术(digital techniques)使高度的多工处理(multiplexing)变得简单
安全与隐私权(Security & Privacy)
加密(Encryption)
整合性(Integration)
可以相似的方式处理类比与数位资料
传输干扰(Impairments)
接收到的讯号可能不同於原本送出的讯号
类比(Analog) – 讯号品质的降低(degradation)
数位(Digital) – 位元错误(bit errors)
肇因於
衰减与衰减变形(attenuation distortion)
延迟变形(Delay distortion)
杂讯(Noise)
衰减(Attenuation)
讯号强度会随著距离的增加而逐渐减弱
与介质(medium)有关
接收的讯号强度(Received signal strength):
必须够强以被侦测出来
讯号电位必须高过杂讯,以便可以无误地接收
衰减的效果随著频率的增加而形成一递增函数increasing function)
延迟变形(Delay Distortion)
仅出现在导线式介质(Only in guided media)
肇因於传递速度(propagation velocity)因频率的不同而有所差异
杂讯(Noise) (1)
在传送器与接收器之间所加入之不想要的讯号
热 (Thermal)杂讯
由於电子之热运动(thermal agitation)所造成
平均地分布(Uniformly distributed)在整个频谱上
也称为白杂讯(white noise)
相互调变 (Intermodulation)杂讯
为在同介质中两个原始讯号频率的和或差的讯号(Signals that are the sum and difference of original frequencies sharing a medium)
杂讯(Noise) (2)
串音(Crosstalk)
在某线路上的讯号被另一线路所接收(picked up)
脉冲(Impulse)
不规则的(Irregular)短暂脉冲(pulses or spikes)
如外在的(External)电磁干扰(electromagnetic interference)
短暂(Short duration)
高振幅(High amplitude)
通道容量(Channel Capacity)
资料率(Data rate)
以每秒多少位元(bits per second,bps)为单位
资料能够通讯的速率
频宽(Bandwidth)
以每秒多少周期(cycles per second, Hertz)为单位
受限於(Constrained by)传送器(transmitter)与传输介质(medium)
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Stallings chapter 3
资料传输成功的两个主要因素即为被传送之讯号的品质与传输介质的特性.本章及下一章之目标即在提供读者对於这两个因素的认知与了解.
在第一节中将提出一些电机工程领域中常见的观念及专有名词,以作为本章其他部分之基础.3.2节将说明类比(analog)与数位(digital)两个名词的使用方式.不论是类比或是数位资料,均可利用类比或数位讯号来传送.另外,在来源与目标系统之间,通常会存在著一些中间的处理过程.这些处理的性质可能是类比或数位的.
3.3节将介绍一些在资料传输过程中,可能会造成错误发生的干扰.主要的干扰有衰减,延迟变形,以及不同形式的杂讯.
资料传输的动作是发生在传送器与接收器间的传输介质上.传输介质可被分类成导线式(guided)或是无线式(unguided或wireless).在此两种情形中,通讯均是以电磁波的方式来达成.在导线式介质中,电磁波会沿著一个实体路径前进.导线式介质的例子有双绞线(twisted pair),同轴电缆(coaxial cable)及光纤(optical fiber).非导线式或无线式介质提供了另一种不导引电磁波之传输方法.其范例有透过空气,真空及海水之传递方式.
直接连线(direct link)指的是讯号直接由传送器传输到接收器的传输路径.路径上除了放大器(amplifier)或再生器(repeater)之外,并没有其他的中间设备.图2.1所示即为直接连线的例子.请注意,此名词可被应用在导线式或是无线式介质.
若导线式介质符合下列两个条件,则称其为点对点(point-to-point)连线方式(如图2.1a):
1.在两部设备间提供一个直接连线.
2.只有这两部设备共用此介质.
在多点式(multipoint)连线中,会有多於两部以上的设备共用此介质(如图2.lb).
传输作业可以是单工(simplex),半双工(half-duplex)或是全双工(full-duplex).在单工传输中,讯号只能单向传输.其中一部设备为传送器,两另一部为接收器.在半双工作业中,两部设备均可送出讯号,但不能是同时传送.而在全双工作业中,两部设备则可同时传送资料,而介质则能同时双向传送讯号.
在本书,我们只考虑电磁讯号以作为传送资料的一个方式.在图1.1中,讯号是由传送器所产生,并在介质上传递.此讯号为一时间的函数,但是它可以被表示成频率的函数,即讯号含有不同频率之成分.通常,以频域(frequency domain)观点来解释讯号会远比以时域(time domain)方式来得更为重要.
时域观念
若以时间的函数来看,电磁讯号可以是连续的(continuous)或是离散的(discrete).连续讯号随著时间的变化而在讯号强度上会有平顺的改变.易言之,即讯号不会有中断或是不连续的情形发生.离散式讯号则是会将讯号强度维持在固定电压一段时间,之后再改变至另一电压.图2.2说明了这两种讯号的差别.连续讯号可以用来表示语音,而离散讯号则可代表二进位之1与0.
最简单的讯号种类便是周期性讯号(periodic signal),其会产生周期性的波形.图2.3所示即为周期性类比讯号(正弦波)及周期性数位讯号(方形波)的例子.在数理上,讯号s(t)被定义为是周期性的,若且唯若
s(t+T)=s(t) - <t<+
其中常数T即为讯号的周期.(其中T为满足上述等式之最小值.)否则讯号便是非周期性的.
正弦波是基本的连续性讯号.一般的正弦波可以利用三个参数来表示,其分别是振幅(amplitude, A),频率(frequency, f)及相位(phase, ψ).振幅即为讯号的峰值或是强度,其单位一般为伏特或是瓦特(watt).频率则是讯号重复的速率,其单位为每秒之周期数或是赫(Hz).频率的对等参数则是周期(period,T),即讯号每次重复所花的时间,因此T=l/f.相位则是在讯号的单一周期中,其在时间上之相对位置的测量值.
一般的正弦波可以表示如下:
s(t)=Asin(2πft+ψ)
图2.4画出改变其中一个参数所造成的效果.在图2.4a中,其频率为lHz,因此周期T为l秒.图2.4b则具有相同的频率与相位,但是振幅只有1/2.在图2.4c中,f=2.最后,图2.4d则是相位偏移π/4弧度的结果(2π弧度=360.=1个周期).
在图2.4中,水平轴为时间,图形所显示的值则为讯号在任一时间的大小,其即为时间之函数.相同的图形也可加以变成是以大小为横轴的图形.在此情形中,图形所显示的结果便是在不同空间上之任一时间的讯号值.例如对於一个正弦波而言,在特定的时间点上,其讯号在正弦方向的强度变化便是一个距离的函数.
在这两个正弦波之间存在著两个简单的关系,一个以时间为单位,另一个则是以空间为单位.定义波长(wavelength)λ为讯号单一周期所作用的距离,或是两个连续周期之对应相位的两点间隔.假设讯号的传递速度为v.则波长与周期的关系可以表示成
λ=vT 或是 λf=v
在我们对於电磁波的讨论中,v的值等於光速(c, 3 108m/s)
在一般应用中,电磁讯号是由数个频率所组成的.例如图2.5所示之讯号
s(t)=sin(2πf1t)+1/3sin(2π(3f1)t)
此讯号的成分中便含有频率为f1及3f1的正弦波.图中之a及b部分画出这些个别成分的波形.这个图形中有数个值得注意的地方:
l第二个频率是第一个频率的整数倍数.当讯号的所有频率成分是其中一个频率的整数倍数时,后者即被称之为基本频率.
整个讯号的周期会等於基本频率的周期.如图2.5c所示,s(t)的周期T会等於成分sin(2πf1t)之周期T=1/f1.
我们可以证明任何讯号均可由具有不同频率的成分所组成,而每个成分则可以是一正弦波.这结果是相当重要的,因为知本章稍后即将讨论到的,讯号在不同传输介质上的影响均可利用频率来表示.
因此,我们可以说对於每一个讯号而言,存在有一时域函数s(t)可用来指定讯号在每个时段上的大小.相同的,也有一个频域函数以S(f)可用来说明讯号的组成频率.图2.6a画出了图2.5c之讯号的频域函数.请注意,在此情形中,S(f)是离散的.图2.6b说明单一方形脉冲之频域函数,其值在-X/2与X/2之间为1,其余则为0.请注意在此情形中,S(f)是连续的,而且它的值永远不会等於0,即使是在较大的f之情形下,其频率成分的大小会越来越小.
讯号的频谱(spectrum)即是它所包含之频率的范围.对於图2.5c之讯号而言,其频谱分布在f1到3f1之间.讯号的绝对频宽(absolute bandwidth)即为频谱的宽度.在图2.5c的情形,其频宽为2f1.许多如图2.6b之讯号,则具有无限之频宽.但是,此讯号之大部分能量(energy)则仅被包含在相当窄的频带(band)中.
此频带被称为有效频宽(effective bandwidth)或是频宽(bandwidth).
最后一个要定义的专有名词是直流成分(dc component).若讯号含有一个频率为0的成分,则该成分便被称为直流(dc)或是常数成分.例如图2.7所示便是图2.6之讯号加上一个直流成分后的结果.当不具直流成分时,讯号的平均振幅为0,其如在时城中所说明的.若是含有直流成分,则其具有一频率为0的成分,且其平均振幅将不再为0.
有效频宽的观念有时是相当模糊的.我们适才提过它是含有大部分讯号能量的频带.但是"大部分"一词总是有点随意.在此有一非常重要的问题即是虽然波形可以含有涵盖相当宽度的频率,但是一般的传输介质则只能接受有限的频带.换言之,这个性质将会限制传输介质所能承载的资料率.
为了要说明这些关系,请考虑图2.3b之方波.假设正负脉冲分别代表二进位之1与0.则该波形所代表的二进位资料串即为1010….每个脉冲的周期为1/2f1,因此资料率(data rate)即为每秒2f1位元(即2f1bps,其中bps为bits per second之缩写).但是此讯号的频率成分呢 再次考虑图2.5以回答此问题.藉由合成频率为f1及3f1之正弦波,我们可以得到一个类似方波的波形.如图2.8a及b所示,让我们逐一加入频率为5f1,及7f1之正弦波.随著我们逐渐加入一些适当大小之f1的奇数倍数波形,所产生的波形将会越来越接近方波.
当然,我们可以证明方波的频率成分可被表示成下列式子:
s(t)=A ∑(1/k)sin(2πkf1t)
k odd, k=1
因此,这个波形具有无限的频率成分,且因此而具有无限的频宽.但是,第k个频率kf1之振幅只有1/k,所以此波形大部分的能量只存在前面少数几个频率成分中.若我们限制其频宽只能有前面三个频率成分,将会发生什麼情形呢 图2.8a所示即为其答案.正如我们所看到的,所产生之波形已相当接近原来的方波了.
我们可以利用图2.5及2.8来说明资料率与频宽的关系.假设数位传输系统可以使用4MHz的频宽来传送讯号,并且假设要被传送的讯号如图2.8c所示为一序列之1与0.那麼此系统将可达到怎样的一个资料率 让我们利用图2.8a之波形来作为方波的近似值.现在令f1=lMHz,则讯号
s(t)=sin((2π 106)t)+1/3sin((2π 3x106)t)+1/5sin((2π 5x106)t)
的频宽即为(5xl06)-106=4MHz.请注意,对於f1=1MHz而言,其基本频率之周期则为T=1/106=10-6=lusec.因此,若我们将此波形视为0与1之位元串,则每隔0.5usec会产生一个位元.所以其资料率为2 106=2Mbps.因此对於4MHz的频宽而言,其资料率为2Mbps.
现在假设频宽为8MHz.图2.8a之基本频率f1改为2MHz.使用前面的推论方式,可以得知讯号的频宽为(5 2 106)-(2 106)=8MHz.但在此情形中,T = l/f1 = 0.5usec,所以其资料率为4Mbps.依此类推,若我们将频宽加倍,则其资料率亦会加倍.
由以上之观察,我们可以获得下列之结论.在一般情形中,任何数位波形均具有无限之频宽.若尝试将此波形作为讯号在任何介质上传送,则介质的特性将会限制可被传送的频宽.另外,对於任何介质而言,被传送的频宽越大,其所需的成本也越大.因此,基於经济与实用的理由,数位资讯只能利用有限频宽之讯号来取代.而在另一方面,频宽的受限将会导致讯号的变形,其将使得对於接收讯号的解译工作更加困难.频宽越是受到限制,则讯号变形的程度也会越大,而接收器产生错误的机会也就越大.
图2.9所示即为一资料率为2000bps之数位位元串在不同频宽之传送情形.在1700到2500Hz之频宽中,仍可获得一不错的结果.另外,我们可以将此结果予以推广.若数位讯号的资料率为W bps,则频宽为2W Hz时可以获得一非常好的表示方法.但是,除非杂讯非常的严重,否则我们便可以利用较低的频宽来表示此位元式样.
因此,资料率及频宽之间存在著一个直接的关系,即讯号的资料率越高,其有效频宽也要越大.从另一角度来看,传输系统的频宽越大,则在此系统上传输的资料率也就越高.
另一个值得一提的重点则是若讯号的频宽可被视为是集中在某一频率上(称其为中央频率(center frequency)),则中央频率越高,可能之频宽也会越高,而可能之资料率也会因此而越高.举例而言,若讯号是集中在2MHz,则其最大频宽为4MHz.
名词类比及数位大致上可分别对应於连续与离散.这两个名词经常被用於资料传输的下列三个领域中:
.资料
.讯号处理
.传输
在第1章中,我们曾讨论资料与资讯的不同.现在,我们将资料(data)定义为用来传递讯息的实体.讯号(signal)则是资料之电气或电磁的编码方式.讯号处理(signaling)则是讯号沿著传输介质的传递作业.最后,传输则是利用讯号的传递与处理而达到的资料通讯.
资料
类比与数位资料的观念是相当简单的.类比资料在任何时段均是连续值.例如声音与影像在强度方向便是连续的.大部分由温度或压力之类的感应器所收集之资料均是属於连续的.数位资料则具有离散或是个别的值,其例子有文字与整数.
最常见之类比资料便是声音资料了.其利用声波的形式来传送,并可直接被人类所察觉.图2.10所示即为人类语音之声波频谱.语音的频率成分大约是介於20Hz到20kHz之间.虽然语音中的大部分能量是集中在较低的频率中,但实际证明600Hz到700Hz之间的变化可以增加人类耳朵的辨识率.图中画虚线的部分更明确地标出了对於语音资料之可辨识率的频率范围.
而数位资料中,常见的例子即为文字或是字元串.对於人类而言,虽然文字资料是最方便的,但是它们无法以字元形式被储存或是被资料处理及通讯系统传送,因为此类之系统是为二进位资料而设计的,所以必须使用编码的方式将字元转译为一连串之0与1的位元.最早的编码方式便是用在电报上之摩斯(Morse)码了.而目前最常使用的编码方式要算是应用在电脑内部之美国标准资讯交换码(Amerucan Standard Code for Information Interchange, ASCII).(如表2.1所示)
图2.10
讯号
在通讯系统中,资料是利用电气讯号的方式由一点传送到另一点.类比讯号是一连续变化的电磁波,视其频谱的不同,其可在不同之介质上传送.可用介质有双绞线,同轴电缆,光纤,或是空间之无线传送.数位讯号则是可在有线介质上传递之一序列电压脉冲,其中固定之正电位与负电位可能是分别代表二进位之1与0.
资料与讯号
在前面的讨论中,我们已经见到类比讯号可用来表示类比资料,而数位讯号则可用来表示数位资料.在一般情形中,类比资料为时间的函数,并且占用有限的频谱,此类资料可以利用占用相同频谱的电磁讯号来表示.数位资料则可利用使用不同电位来代表两个二进位位元之数位讯号来表示.
如图2.11所示,这些并不是唯一的可能性.数位资料亦可藉由数据机(调变解调器,modem)的使用而利用类比讯号来表示.数据机会将一序列之二进位电压脉冲转换成可在载波(carruer)频率上传送之类比讯号.所产生的讯号将会占载波中央频率附近之频谱,并且可在适用之介质上传送.最常见之数据机是利用声音频谱来表示数位资料的形式,其允许资料可利用电话线路来传送.在线路的另一端,数据机必须对讯号进行解调变,以复原原始的资料.
用数据机作业的类似方式,类比资料也可利用数位讯号来表示.对於声音资料而言,执行此功能的设备便是编码解码器(coder-decoder,codec).基本上,codec会接收一直接代表声音资料的类比讯号,并将其利用一位元串来尽量表示该讯号.而在接收端,这些位元串会被用来重建此类比讯号.因此,如图2.11所建议的,资料可被编码成不同形式讯号.我们将在第4章中探讨这个主题.
传输
随著传输系统功能的不同,类比及数位讯号均可在合适的传输介质上传送.表2.2归纳了资料传输的方法.类比传输为一传送类比讯号而不管其内容之传输方法,其讯号可以代表类比资料或是数位资料.在这两种情形中,类比讯号在传送一段距离之后,便会逐渐衰减.为了达到更远的传送距离,类比传送系统会使用放大器来提高讯号的能量.不幸的是,放大器也会加强杂讯的部分.为了达到长距离传送而串接的放大器将会使得讯号变形的情况更加严重.对於如声音之类比资料而言,些微的讯号变形仍是可接受的.但对於数位资料而言,串接的放大器将会造成错误的发生.
不同的是,数位传输必须考量讯号的内容.在衰减会影响资料的完整性之前,数位讯号只能被传送一有限的距离.为了达到更远的距离,再生器会被应用在传送路径上.再生器会接收数位讯号,还原1与0的型样,并且再传送一个新的讯号以克服衰减的问题.
若类比讯号传送的是数位资料,则相同的技术也可被应用在类比讯号上.在适当距离的点上,传输系统使用的是再生器,而不是放大器.再生器会由类比讯号中还原数位资料,并且产生一个新的且清晰的类比讯号.如此一来,杂讯便不会被累积.
衰减
在任何传输介质上,讯号的强度会随著距离的增加而逐渐减弱.对於导线式介质而言,这种强度上的衰减(attenuation)一般是呈对数性的,并且可被表示成每单位距离之固定分贝(decibel, dB)数.对於非导线式介质而言,衰减则是一受到距离与大气关系所影响之函数.讯号的衰减情形促使工程师必须注意下列三项事情:
1.被接收的讯号必须够强,以使得接收器内的电路可以侦测及解译该讯号.
2.讯号的电位必须高於杂讯的电位,以便可以无误地接收.
3.衰减的效果随著频率的增加而形成一递增函数.
第一个及第二个问题可以藉由注意讯号的强度及使用放大器或再生器来解决.对於点对点连线而言,传送器的讯号强度必须够强,以使其接收端能加以辨识.但也不能太强而造成传送器的过载而产生不正常的讯号.在超过某一特定距离后,衰减会变得无法接受的大.此时可利用再生器或放大器予以随时加强. 对於多点线路而言,由於传送器与接收器的距离是会变的,因此这些问题会变得更为复杂.
对於类比讯号而言,第三个问题更是值得注意.因为衰减会随著频率而变化,因此所接收的讯号会有所变形而降低其辨识率.为了克服此问题,目前已有用来等化衰减的技术被提出.对於声音等级的电话线路而言,其可使用一负载线圈来改变线路之电气特性的方式完成.另一个方法则是使用高频放大器来放大高频的部分.
Data and Computer Communications
Chapter 3
Data Transmission
术语(Terminology) (1)
传送器(Transmitter)
接收器(Receiver)
介质(Medium)
导线式介质(Guided medium)
如双绞线(twisted pair),光纤(optical fiber)
非导线式介质(Unguided medium)
如空气(air),水(water),真空(vacuum)
术语(Terminology) (2)
直接连结线(Direct link)
无间接设备(intermediate devices)
点对点(Point-to-point)
直接连线(Direct link)
直有2个设备共用(share)连接线(link)
多点(Multi-point)
多於两个设备共用连接线
术语(Terminology) (3)
单工(Simplex)
单一方向(One direction)
如电视(Television)
半双工(Half duplex)
任一方向(Either direction), 但在同一时间只有一个方向
如警用对话机(police radio)
全双工(Full duplex)
可双向同时进行
如电话(telephone)
频率(Frequency), 频谱(Spectrum) 及频宽(Bandwidth)
时域(Time domain)观念
连续性讯号(Continuous signal)
以平滑方式依时间而变化
离散性讯号(Discrete signal)
维持在一固定准位(constant level),然后又改变至另一固定准位
周期性讯号(Periodic signal)
一直重复的(repeated)样态(Pattern)
非周期性(Aperiodic signal)
样态(Pattern)不随时间一再重复
连续性(Continuous) & 离散性(Discrete)讯号(Signals)
周期性(Periodic)
讯号(Signals)
正弦波(Sine Wave)
尖峰(Peak)振幅(Amplitude) (A)
讯号(signal)之最大强度(maximum strength)
伏特(volts)
频率(Frequency) (f)
讯号改变的速率(rate of change)
赫(Hertz, Hz) 或每秒之周期数(cycles per second)
周期(Period) = 每次重复(one repetition)所花时间 (T)
T = 1/f
相位(Phase) ( )
在时间上之相对位置(Relative position in time)
变动的(Varying)正弦 (Sine)波
波长(Wavelength)
一次循环(cycle)所占距离(distance)
两个连续周期(consecutive cycles)之对应相位(corresponding phase )的间隔
假设讯号传递速度(signal velocity) v
= vT
f = v
c = 3*108 ms-1 (在真空中的光速,speed of light in free space)
频域(Frequency Domain)观念
讯号通常由许多不同的频率所组成
个别成份(Components)为正弦波
由傅立叶分析(Fourier analysis)可以证明任何讯号可由正弦波所组成
可以画出其频域(frequency domain)函数(functions)
频率成份之相加
(Addition of
Frequency
Components)
频域
(Frequency
Domain)
频谱(Spectrum) & 频宽(Bandwidth)
频谱(Spectrum)
含於讯号中之频率范围(range of frequencies)
绝对频宽(Absolute bandwidth)
频带之宽度(width of spectrum)
有效频宽(Effective bandwidth)
常简单称为频宽(bandwidth )
含大部分能量(energy)之相当窄的频带(band of frequencies)
直流成份(DC Component)
频率为 0 (zero frequency)的成份
具有直流成份之讯号(Signal with DC Component)
资料率(Data Rate)与频宽(Bandwidth)
任何传输系统的频带(band of frequencies)是有限的
这限制了能载送的资料率
类比(Analog)与数位(Digital)资料传输(Data Transmission)
资料(Data)
用来传递(convey)讯息(meaning)的实体(Entities)
讯号(Signals)
资料之电气(Electric)或电磁的(electromagnetic)编码方式(representations)
传输(Transmission)
利用讯号的传递(propagation)与处理(processing)而达到资料通讯(communication of data)
资料(Data)
类比式(Analog)
在任何时段(interval)是连续值(continuous values)
如声音(sound),影像(video)
数位式(Digital)
离散的值(Discrete values)
如文字(text),整数(integers)
语音的(Acoustic)频谱(Spectrum) (Analog)
讯号(Signals)
藉以传送(propagate)资料
类比式(Analog)
连续性地变动的(Continuously variable)
各种介质(Various media)
缆线(wire), 光纤(fiber optic), 太空(space)
说话频宽(Speech bandwidth) 100Hz 至 7kHz
电话频宽(Telephone bandwidth) 300Hz 至o 3400Hz
影像频宽(Video bandwidth) 4MHz
数位的(Digital)
使用二分直流成份(DC components)
资料(Data)与讯号(Signals)
一般是以数位讯号传数位资料,类比讯号传类比资料
可用类比讯号传数位资料
如数据机(Modem)
可用数位讯号载送类比资料
如光碟音乐(Compact Disc audio)
类比讯号载送类比与数位资料
数位讯号载送类比与数位资料
类比传输(Analog Transmission)
不管内容为何均以类比讯号(Analog signal )传输
可以是类比资料或是数位资料
随距离(distance)而衰减(Attenuated)
使用放大器(amplifiers)以增强(boost)讯号
但同时也放大杂讯(amplifies noise)
数位式传输(Digital Transmission)
必须考量资料内容(content)
杂讯(noise)或讯号衰减(attenuation)等因素将危及其完整性(integrity)
使用再生器(Repeaters)
再生器接受讯号
还原(Extracts)位元0与1(bit)的型样(pattern)
再传送(Retransmits)新的讯号
克服衰减(Attenuation)问题
杂讯不会被放大
数位传输的优点
数位技术(Digital technology)
大型与超大型积体电路(LSI/VLSI)技术之成本下降
资料完整性(Data integrity)
可在较低品质(lower quality)的线路上使资料传得更远(Longer distances)
传输能力利用率(Capacity utilization)
建立高频宽线路(High bandwidth links)变得较经济(economical)
以数位技术(digital techniques)使高度的多工处理(multiplexing)变得简单
安全与隐私权(Security & Privacy)
加密(Encryption)
整合性(Integration)
可以相似的方式处理类比与数位资料
传输干扰(Impairments)
接收到的讯号可能不同於原本送出的讯号
类比(Analog) – 讯号品质的降低(degradation)
数位(Digital) – 位元错误(bit errors)
肇因於
衰减与衰减变形(attenuation distortion)
延迟变形(Delay distortion)
杂讯(Noise)
衰减(Attenuation)
讯号强度会随著距离的增加而逐渐减弱
与介质(medium)有关
接收的讯号强度(Received signal strength):
必须够强以被侦测出来
讯号电位必须高过杂讯,以便可以无误地接收
衰减的效果随著频率的增加而形成一递增函数increasing function)
延迟变形(Delay Distortion)
仅出现在导线式介质(Only in guided media)
肇因於传递速度(propagation velocity)因频率的不同而有所差异
杂讯(Noise) (1)
在传送器与接收器之间所加入之不想要的讯号
热 (Thermal)杂讯
由於电子之热运动(thermal agitation)所造成
平均地分布(Uniformly distributed)在整个频谱上
也称为白杂讯(white noise)
相互调变 (Intermodulation)杂讯
为在同介质中两个原始讯号频率的和或差的讯号(Signals that are the sum and difference of original frequencies sharing a medium)
杂讯(Noise) (2)
串音(Crosstalk)
在某线路上的讯号被另一线路所接收(picked up)
脉冲(Impulse)
不规则的(Irregular)短暂脉冲(pulses or spikes)
如外在的(External)电磁干扰(electromagnetic interference)
短暂(Short duration)
高振幅(High amplitude)
通道容量(Channel Capacity)
资料率(Data rate)
以每秒多少位元(bits per second,bps)为单位
资料能够通讯的速率
频宽(Bandwidth)
以每秒多少周期(cycles per second, Hertz)为单位
受限於(Constrained by)传送器(transmitter)与传输介质(medium)
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Stallings chapter 3
资料传输成功的两个主要因素即为被传送之讯号的品质与传输介质的特性.本章及下一章之目标即在提供读者对於这两个因素的认知与了解.
在第一节中将提出一些电机工程领域中常见的观念及专有名词,以作为本章其他部分之基础.3.2节将说明类比(analog)与数位(digital)两个名词的使用方式.不论是类比或是数位资料,均可利用类比或数位讯号来传送.另外,在来源与目标系统之间,通常会存在著一些中间的处理过程.这些处理的性质可能是类比或数位的.
3.3节将介绍一些在资料传输过程中,可能会造成错误发生的干扰.主要的干扰有衰减,延迟变形,以及不同形式的杂讯.
资料传输的动作是发生在传送器与接收器间的传输介质上.传输介质可被分类成导线式(guided)或是无线式(unguided或wireless).在此两种情形中,通讯均是以电磁波的方式来达成.在导线式介质中,电磁波会沿著一个实体路径前进.导线式介质的例子有双绞线(twisted pair),同轴电缆(coaxial cable)及光纤(optical fiber).非导线式或无线式介质提供了另一种不导引电磁波之传输方法.其范例有透过空气,真空及海水之传递方式.
直接连线(direct link)指的是讯号直接由传送器传输到接收器的传输路径.路径上除了放大器(amplifier)或再生器(repeater)之外,并没有其他的中间设备.图2.1所示即为直接连线的例子.请注意,此名词可被应用在导线式或是无线式介质.
若导线式介质符合下列两个条件,则称其为点对点(point-to-point)连线方式(如图2.1a):
1.在两部设备间提供一个直接连线.
2.只有这两部设备共用此介质.
在多点式(multipoint)连线中,会有多於两部以上的设备共用此介质(如图2.lb).
传输作业可以是单工(simplex),半双工(half-duplex)或是全双工(full-duplex).在单工传输中,讯号只能单向传输.其中一部设备为传送器,两另一部为接收器.在半双工作业中,两部设备均可送出讯号,但不能是同时传送.而在全双工作业中,两部设备则可同时传送资料,而介质则能同时双向传送讯号.
在本书,我们只考虑电磁讯号以作为传送资料的一个方式.在图1.1中,讯号是由传送器所产生,并在介质上传递.此讯号为一时间的函数,但是它可以被表示成频率的函数,即讯号含有不同频率之成分.通常,以频域(frequency domain)观点来解释讯号会远比以时域(time domain)方式来得更为重要.
时域观念
若以时间的函数来看,电磁讯号可以是连续的(continuous)或是离散的(discrete).连续讯号随著时间的变化而在讯号强度上会有平顺的改变.易言之,即讯号不会有中断或是不连续的情形发生.离散式讯号则是会将讯号强度维持在固定电压一段时间,之后再改变至另一电压.图2.2说明了这两种讯号的差别.连续讯号可以用来表示语音,而离散讯号则可代表二进位之1与0.
最简单的讯号种类便是周期性讯号(periodic signal),其会产生周期性的波形.图2.3所示即为周期性类比讯号(正弦波)及周期性数位讯号(方形波)的例子.在数理上,讯号s(t)被定义为是周期性的,若且唯若
s(t+T)=s(t) - <t<+
其中常数T即为讯号的周期.(其中T为满足上述等式之最小值.)否则讯号便是非周期性的.
正弦波是基本的连续性讯号.一般的正弦波可以利用三个参数来表示,其分别是振幅(amplitude, A),频率(frequency, f)及相位(phase, ψ).振幅即为讯号的峰值或是强度,其单位一般为伏特或是瓦特(watt).频率则是讯号重复的速率,其单位为每秒之周期数或是赫(Hz).频率的对等参数则是周期(period,T),即讯号每次重复所花的时间,因此T=l/f.相位则是在讯号的单一周期中,其在时间上之相对位置的测量值.
一般的正弦波可以表示如下:
s(t)=Asin(2πft+ψ)
图2.4画出改变其中一个参数所造成的效果.在图2.4a中,其频率为lHz,因此周期T为l秒.图2.4b则具有相同的频率与相位,但是振幅只有1/2.在图2.4c中,f=2.最后,图2.4d则是相位偏移π/4弧度的结果(2π弧度=360.=1个周期).
在图2.4中,水平轴为时间,图形所显示的值则为讯号在任一时间的大小,其即为时间之函数.相同的图形也可加以变成是以大小为横轴的图形.在此情形中,图形所显示的结果便是在不同空间上之任一时间的讯号值.例如对於一个正弦波而言,在特定的时间点上,其讯号在正弦方向的强度变化便是一个距离的函数.
在这两个正弦波之间存在著两个简单的关系,一个以时间为单位,另一个则是以空间为单位.定义波长(wavelength)λ为讯号单一周期所作用的距离,或是两个连续周期之对应相位的两点间隔.假设讯号的传递速度为v.则波长与周期的关系可以表示成
λ=vT 或是 λf=v
在我们对於电磁波的讨论中,v的值等於光速(c, 3 108m/s)
在一般应用中,电磁讯号是由数个频率所组成的.例如图2.5所示之讯号
s(t)=sin(2πf1t)+1/3sin(2π(3f1)t)
此讯号的成分中便含有频率为f1及3f1的正弦波.图中之a及b部分画出这些个别成分的波形.这个图形中有数个值得注意的地方:
l第二个频率是第一个频率的整数倍数.当讯号的所有频率成分是其中一个频率的整数倍数时,后者即被称之为基本频率.
整个讯号的周期会等於基本频率的周期.如图2.5c所示,s(t)的周期T会等於成分sin(2πf1t)之周期T=1/f1.
我们可以证明任何讯号均可由具有不同频率的成分所组成,而每个成分则可以是一正弦波.这结果是相当重要的,因为知本章稍后即将讨论到的,讯号在不同传输介质上的影响均可利用频率来表示.
因此,我们可以说对於每一个讯号而言,存在有一时域函数s(t)可用来指定讯号在每个时段上的大小.相同的,也有一个频域函数以S(f)可用来说明讯号的组成频率.图2.6a画出了图2.5c之讯号的频域函数.请注意,在此情形中,S(f)是离散的.图2.6b说明单一方形脉冲之频域函数,其值在-X/2与X/2之间为1,其余则为0.请注意在此情形中,S(f)是连续的,而且它的值永远不会等於0,即使是在较大的f之情形下,其频率成分的大小会越来越小.
讯号的频谱(spectrum)即是它所包含之频率的范围.对於图2.5c之讯号而言,其频谱分布在f1到3f1之间.讯号的绝对频宽(absolute bandwidth)即为频谱的宽度.在图2.5c的情形,其频宽为2f1.许多如图2.6b之讯号,则具有无限之频宽.但是,此讯号之大部分能量(energy)则仅被包含在相当窄的频带(band)中.
此频带被称为有效频宽(effective bandwidth)或是频宽(bandwidth).
最后一个要定义的专有名词是直流成分(dc component).若讯号含有一个频率为0的成分,则该成分便被称为直流(dc)或是常数成分.例如图2.7所示便是图2.6之讯号加上一个直流成分后的结果.当不具直流成分时,讯号的平均振幅为0,其如在时城中所说明的.若是含有直流成分,则其具有一频率为0的成分,且其平均振幅将不再为0.
有效频宽的观念有时是相当模糊的.我们适才提过它是含有大部分讯号能量的频带.但是"大部分"一词总是有点随意.在此有一非常重要的问题即是虽然波形可以含有涵盖相当宽度的频率,但是一般的传输介质则只能接受有限的频带.换言之,这个性质将会限制传输介质所能承载的资料率.
为了要说明这些关系,请考虑图2.3b之方波.假设正负脉冲分别代表二进位之1与0.则该波形所代表的二进位资料串即为1010….每个脉冲的周期为1/2f1,因此资料率(data rate)即为每秒2f1位元(即2f1bps,其中bps为bits per second之缩写).但是此讯号的频率成分呢 再次考虑图2.5以回答此问题.藉由合成频率为f1及3f1之正弦波,我们可以得到一个类似方波的波形.如图2.8a及b所示,让我们逐一加入频率为5f1,及7f1之正弦波.随著我们逐渐加入一些适当大小之f1的奇数倍数波形,所产生的波形将会越来越接近方波.
当然,我们可以证明方波的频率成分可被表示成下列式子:
s(t)=A ∑(1/k)sin(2πkf1t)
k odd, k=1
因此,这个波形具有无限的频率成分,且因此而具有无限的频宽.但是,第k个频率kf1之振幅只有1/k,所以此波形大部分的能量只存在前面少数几个频率成分中.若我们限制其频宽只能有前面三个频率成分,将会发生什麼情形呢 图2.8a所示即为其答案.正如我们所看到的,所产生之波形已相当接近原来的方波了.
我们可以利用图2.5及2.8来说明资料率与频宽的关系.假设数位传输系统可以使用4MHz的频宽来传送讯号,并且假设要被传送的讯号如图2.8c所示为一序列之1与0.那麼此系统将可达到怎样的一个资料率 让我们利用图2.8a之波形来作为方波的近似值.现在令f1=lMHz,则讯号
s(t)=sin((2π 106)t)+1/3sin((2π 3x106)t)+1/5sin((2π 5x106)t)
的频宽即为(5xl06)-106=4MHz.请注意,对於f1=1MHz而言,其基本频率之周期则为T=1/106=10-6=lusec.因此,若我们将此波形视为0与1之位元串,则每隔0.5usec会产生一个位元.所以其资料率为2 106=2Mbps.因此对於4MHz的频宽而言,其资料率为2Mbps.
现在假设频宽为8MHz.图2.8a之基本频率f1改为2MHz.使用前面的推论方式,可以得知讯号的频宽为(5 2 106)-(2 106)=8MHz.但在此情形中,T = l/f1 = 0.5usec,所以其资料率为4Mbps.依此类推,若我们将频宽加倍,则其资料率亦会加倍.
由以上之观察,我们可以获得下列之结论.在一般情形中,任何数位波形均具有无限之频宽.若尝试将此波形作为讯号在任何介质上传送,则介质的特性将会限制可被传送的频宽.另外,对於任何介质而言,被传送的频宽越大,其所需的成本也越大.因此,基於经济与实用的理由,数位资讯只能利用有限频宽之讯号来取代.而在另一方面,频宽的受限将会导致讯号的变形,其将使得对於接收讯号的解译工作更加困难.频宽越是受到限制,则讯号变形的程度也会越大,而接收器产生错误的机会也就越大.
图2.9所示即为一资料率为2000bps之数位位元串在不同频宽之传送情形.在1700到2500Hz之频宽中,仍可获得一不错的结果.另外,我们可以将此结果予以推广.若数位讯号的资料率为W bps,则频宽为2W Hz时可以获得一非常好的表示方法.但是,除非杂讯非常的严重,否则我们便可以利用较低的频宽来表示此位元式样.
因此,资料率及频宽之间存在著一个直接的关系,即讯号的资料率越高,其有效频宽也要越大.从另一角度来看,传输系统的频宽越大,则在此系统上传输的资料率也就越高.
另一个值得一提的重点则是若讯号的频宽可被视为是集中在某一频率上(称其为中央频率(center frequency)),则中央频率越高,可能之频宽也会越高,而可能之资料率也会因此而越高.举例而言,若讯号是集中在2MHz,则其最大频宽为4MHz.
名词类比及数位大致上可分别对应於连续与离散.这两个名词经常被用於资料传输的下列三个领域中:
.资料
.讯号处理
.传输
在第1章中,我们曾讨论资料与资讯的不同.现在,我们将资料(data)定义为用来传递讯息的实体.讯号(signal)则是资料之电气或电磁的编码方式.讯号处理(signaling)则是讯号沿著传输介质的传递作业.最后,传输则是利用讯号的传递与处理而达到的资料通讯.
资料
类比与数位资料的观念是相当简单的.类比资料在任何时段均是连续值.例如声音与影像在强度方向便是连续的.大部分由温度或压力之类的感应器所收集之资料均是属於连续的.数位资料则具有离散或是个别的值,其例子有文字与整数.
最常见之类比资料便是声音资料了.其利用声波的形式来传送,并可直接被人类所察觉.图2.10所示即为人类语音之声波频谱.语音的频率成分大约是介於20Hz到20kHz之间.虽然语音中的大部分能量是集中在较低的频率中,但实际证明600Hz到700Hz之间的变化可以增加人类耳朵的辨识率.图中画虚线的部分更明确地标出了对於语音资料之可辨识率的频率范围.
而数位资料中,常见的例子即为文字或是字元串.对於人类而言,虽然文字资料是最方便的,但是它们无法以字元形式被储存或是被资料处理及通讯系统传送,因为此类之系统是为二进位资料而设计的,所以必须使用编码的方式将字元转译为一连串之0与1的位元.最早的编码方式便是用在电报上之摩斯(Morse)码了.而目前最常使用的编码方式要算是应用在电脑内部之美国标准资讯交换码(Amerucan Standard Code for Information Interchange, ASCII).(如表2.1所示)
图2.10
讯号
在通讯系统中,资料是利用电气讯号的方式由一点传送到另一点.类比讯号是一连续变化的电磁波,视其频谱的不同,其可在不同之介质上传送.可用介质有双绞线,同轴电缆,光纤,或是空间之无线传送.数位讯号则是可在有线介质上传递之一序列电压脉冲,其中固定之正电位与负电位可能是分别代表二进位之1与0.
资料与讯号
在前面的讨论中,我们已经见到类比讯号可用来表示类比资料,而数位讯号则可用来表示数位资料.在一般情形中,类比资料为时间的函数,并且占用有限的频谱,此类资料可以利用占用相同频谱的电磁讯号来表示.数位资料则可利用使用不同电位来代表两个二进位位元之数位讯号来表示.
如图2.11所示,这些并不是唯一的可能性.数位资料亦可藉由数据机(调变解调器,modem)的使用而利用类比讯号来表示.数据机会将一序列之二进位电压脉冲转换成可在载波(carruer)频率上传送之类比讯号.所产生的讯号将会占载波中央频率附近之频谱,并且可在适用之介质上传送.最常见之数据机是利用声音频谱来表示数位资料的形式,其允许资料可利用电话线路来传送.在线路的另一端,数据机必须对讯号进行解调变,以复原原始的资料.
用数据机作业的类似方式,类比资料也可利用数位讯号来表示.对於声音资料而言,执行此功能的设备便是编码解码器(coder-decoder,codec).基本上,codec会接收一直接代表声音资料的类比讯号,并将其利用一位元串来尽量表示该讯号.而在接收端,这些位元串会被用来重建此类比讯号.因此,如图2.11所建议的,资料可被编码成不同形式讯号.我们将在第4章中探讨这个主题.
传输
随著传输系统功能的不同,类比及数位讯号均可在合适的传输介质上传送.表2.2归纳了资料传输的方法.类比传输为一传送类比讯号而不管其内容之传输方法,其讯号可以代表类比资料或是数位资料.在这两种情形中,类比讯号在传送一段距离之后,便会逐渐衰减.为了达到更远的传送距离,类比传送系统会使用放大器来提高讯号的能量.不幸的是,放大器也会加强杂讯的部分.为了达到长距离传送而串接的放大器将会使得讯号变形的情况更加严重.对於如声音之类比资料而言,些微的讯号变形仍是可接受的.但对於数位资料而言,串接的放大器将会造成错误的发生.
不同的是,数位传输必须考量讯号的内容.在衰减会影响资料的完整性之前,数位讯号只能被传送一有限的距离.为了达到更远的距离,再生器会被应用在传送路径上.再生器会接收数位讯号,还原1与0的型样,并且再传送一个新的讯号以克服衰减的问题.
若类比讯号传送的是数位资料,则相同的技术也可被应用在类比讯号上.在适当距离的点上,传输系统使用的是再生器,而不是放大器.再生器会由类比讯号中还原数位资料,并且产生一个新的且清晰的类比讯号.如此一来,杂讯便不会被累积.
衰减
在任何传输介质上,讯号的强度会随著距离的增加而逐渐减弱.对於导线式介质而言,这种强度上的衰减(attenuation)一般是呈对数性的,并且可被表示成每单位距离之固定分贝(decibel, dB)数.对於非导线式介质而言,衰减则是一受到距离与大气关系所影响之函数.讯号的衰减情形促使工程师必须注意下列三项事情:
1.被接收的讯号必须够强,以使得接收器内的电路可以侦测及解译该讯号.
2.讯号的电位必须高於杂讯的电位,以便可以无误地接收.
3.衰减的效果随著频率的增加而形成一递增函数.
第一个及第二个问题可以藉由注意讯号的强度及使用放大器或再生器来解决.对於点对点连线而言,传送器的讯号强度必须够强,以使其接收端能加以辨识.但也不能太强而造成传送器的过载而产生不正常的讯号.在超过某一特定距离后,衰减会变得无法接受的大.此时可利用再生器或放大器予以随时加强. 对於多点线路而言,由於传送器与接收器的距离是会变的,因此这些问题会变得更为复杂.
对於类比讯号而言,第三个问题更是值得注意.因为衰减会随著频率而变化,因此所接收的讯号会有所变形而降低其辨识率.为了克服此问题,目前已有用来等化衰减的技术被提出.对於声音等级的电话线路而言,其可使用一负载线圈来改变线路之电气特性的方式完成.另一个方法则是使用高频放大器来放大高频的部分.
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