). Физическое кодирование может менять форму, ширину полосы частот и гармонический состав сигнала в целях осуществления синхронизации приёмника и передатчика, устранения постоянной составляющей или уменьшения аппаратных затрат.
Энциклопедичный YouTube
-
1 / 5
Система кодирования сигналов имеет многоуровневую иерархию.
Физическое кодирование
Самым нижним уровнем в иерархии кодирования является физическое кодирование, которое определяет число дискретных уровней сигнала (амплитуды напряжения, амплитуды тока, амплитуды яркости).
Физическое кодирование рассматривает кодирование только на самом низшем уровне иерархии кодирования - на физическом уровне и не рассматривает более высокие уровни в иерархии кодирования, к которым относятся логические кодирования различных уровней.
С точки зрения физического кодирования цифровой сигнал может иметь два, три, четыре, пять и т. д. уровней амплитуды напряжения, амплитуды тока, амплитуды света.
Ни в одной из версий технологии Ethernet не применяется прямое двоичное кодирование бита 0 напряжением 0 вольт и бита 1 - напряжением +5 вольт, так как такой способ приводит к неоднозначности. Если одна станция посылает битовую строку 00010000, то другая станция может интерпретировать её либо как 10000, либо как 01000, так как она не может отличить «отсутствие сигнала» от бита 0. Поэтому принимающей машине необходим способ однозначного определения начала, конца и середины каждого бита без помощи внешнего таймера. Кодирование сигнала на физическом уровне позволяет приемнику синхронизироваться с передатчиком по смене напряжения в середине периода битов.
Логическое кодирование
Вторым уровнем в иерархии кодирования является самый нижний уровень логического кодирования с разными назначениями.
В совокупности физическое кодирование и логическое кодирование образуют систему кодирования самого низшего уровня.
Форматы кодов
Каждый бит кодового слова передается или записывается с помощью дискретных сигналов, например, импульсов. Способ представления исходного кода определенными сигналами определяется форматом кода. Известно большое количество форматов, каждый из которых имеет свои достоинства и недостатки и предназначен для использования в определенной аппаратуре.
- Формат БВН (без возвращения к нулю) естественным образом соответствует режиму работы логических схем. Единичный бит передается в пределах такта уровень не меняется. Положительный перепад означает переход из 0 к 1 в исходном коде, отрицательный - от 1 к 0. Отсутствие перепадов показывает, что значения предыдущего и последующего битов равны. Для декодирования кодов в формате БВН необходимы тактовые импульсы, так как в его спектре не содержится тактовая частота. Соответствующий коду формата БВН сигнал содержит низкочастотные компоненты (при передаче длинных серий нулей или единиц перепады не возникают).
- Формат БВН-1 (без возвращения к нулю с перепадом при передаче 1) является разновидностью формата БВН. В отличие от последнего в БВН-1 уровень не передает данные, так как и положительные и отрицательные перепады соответствуют единичным битам. Перепады сигнала формируются при передаче 1. При передаче 0 уровень не меняется. Для декодирования требуются тактовые импульсы.
- Формат БВН −0 (без возвращения к нулю с перепадом при передаче 0) является дополнительным к БВН-1 (перепады соответствуют нулевым битам исходного кода). В многодорожечных системах записи цифровых сигналов вместе с кодом в формате БВН надо записывать тактовые импульсы. Возможным вариантом является запись двух дополнительных сигналов, соответствующих кодам в форматах БВН-1 и БВН-0. В одном из двух сигналов перепады происходят в каждом такте, что позволяет получить импульсы тактовой частоты.
- Формат ВН (с возвращением к нулю) требует передачи импульса, занимающего только часть тактового интервала (например, половину), при одиночном бите. При нулевом бите импульс не формируется.
- Формат ВН-П (с активной паузой) означает передачу импульса положительной полярности при единичном бите и отрицательной - при нулевом бите. Сигнал этого формата имеет в спектре компоненты тактовой частоты. Он применяется в ряде случаев для передачи данных по линиям связи.
- Формат ДФ-0 (двухфазный со скачком фазы при передаче 0) соответствует способу представления, при котором перепады формируются в начале каждого такта. При единичных битах сигнал в этом формате меняется с тактовой частотой, то есть в середине каждого такта происходит перепад уровня. При передаче нулевого бита перепад в середине такта не формируется, то есть имеет место скачок фазы. Код в данном формате обладает возможностью самосинхронизации и не требует передачи тактовых сигналов.
Направление перепада при передаче сигнала единицы не имеет значения. Поэтому изменение полярности кодированного сигнала не влияет на результат декодирования. Он может передаваться по симметричным линиям без постоянной составляющей. Это также упрощает его магнитную запись. Этот формат известен также под названием «Манчестер 1». Он используется в адресно-временном коде SMPTE, широко применяющемся для синхронизации носителей звуковой и видеоинформации.
Системы с двухуровневым кодированием
Без возврата к нулю
Потенциальное кодирование, также называется кодированием без возвращения к нулю (NRZ (англ.) русск. ).
При передаче нуля он передает потенциал, который был установлен на предыдущем такте (то есть не меняет его), а при передаче единицы потенциал инвертируется на противоположный. Этот код называется потенциальным кодом с инверсией при единице (NRZI).
NRZ
Для передачи единиц и нулей используются два устойчиво различаемых потенциала:
- биты 0 представляются нулевым напряжением 0 (В);
- биты 1 представляются значением U (В).
NRZ (перевёрнутый):
- биты 0 представляются значением U (В);
- биты 1 представляются нулевым напряжением 0 (В).
Простейший код, обычный цифровой (дискретный) сигнал (может быть преобразован на обратную полярность или изменены уровни соответствующие нулю и единице).
Достоинства - простая реализация; не нужно кодировать и декодировать на концах. Высокая скорость передачи при заданной полосе пропускания (для обеспечения пропускной способности в 10Мбит/сек полоса пропускания составит 5 МГц, так как одно колебание равно 2 битам). Для синхронизации передачи байта используется старт-стоповый бит.
Недостатки - Наличие постоянной составляющей, из за чего невозможно обеспечить гальваническую развязку с помощью трансформатора. Высокие требования к синхронизации частот на приёмном и передающем конце - за время передачи одного слова (байта) приемник не должен сбиться больше, чем на бит (например для слова длиной в байт с битом старта и стопа, то есть всего 10 бит канальной информации, рассинхронизация частот приёмника и передатчика не может превышать 10 % в обе стороны, для слова в 16 бит, то есть 18 бит канальной информации, рассинхронизация не должна превышать 5,5 %, а в физических реализациях и того меньше).
NRZI
При передаче последовательности единиц, сигнал, в отличие от других методов кодирования, не возвращается к нулю в течение такта. То есть смена сигнала происходит при передаче единицы, а передача нуля не приводит к изменению напряжения.
Достоинства метода NRZI:
- Простота реализации.
- Метод обладает хорошей распознаваемостью ошибок (благодаря наличию двух резко отличающихся потенциалов).
- Основная гармоника f0 имеет достаточно низкую частоту (равную N/2 Гц, где N - битовая скорость передачи дискретных данных бит/с), что приводит к узкому спектру.
Недостатки метода NRZI:
- Метод не обладает свойством самосинхронизации. Даже при наличии высокоточного тактового генератора приёмник может ошибиться с выбором момента съёма данных, так как частоты двух генераторов никогда не бывают полностью идентичными. Поэтому при высоких скоростях обмена данными и длинных последовательностях единиц или нулей небольшое рассогласование тактовых частот может привести к ошибке в целый такт и, соответственно, считыванию некорректного значения бита.
- Вторым серьёзным недостатком метода, является наличие низкочастотной составляющей, которая приближается к постоянному сигналу при передаче длинных последовательностей единиц и нулей (можно обойти сжатием передаваемых данных). Из-за этого многие линии связи, не обеспечивающие прямого гальванического соединения между приёмником и источником, этот вид кодирования не поддерживают. Поэтому в сетях код NRZ в основном используется в виде различных его модификаций, в которых устранены как плохая самосинхронизация кода, так и проблемы постоянной составляющей.
MLT-3 Multi Level Transmission - 3 (многоуровневая передача) - немного схож с кодом NRZI, но в отличие от последнего имеет три уровня сигнала. Единице соответствует переход с одного уровня сигнала на другой, причем изменение уровня сигнала происходит последовательно с учетом предыдущего перехода. При передаче «нуля» сигнал не меняется.
Этот код, так же как и NRZI нуждается в предварительном кодировании. Используется в Fast Ethernet 100Base-TX .
Гибридный троичный код (англ.) русск.
Входной бит Предыдущее состояние
на выходеВыходной бит 0 + − 0 − 0 1 + 0 + − 4B3T [убрать шаблон]
Таблица кодирования:
MMS 43 coding table
Input Accumulated DC offset 1 2 3 4 0000 + 0 + (+2) 0−0 (−1) 0001 0 − + (+0) 0010 + − 0 (+0) 0011 0 0 + (+1) − − 0 (−2) 0100 − + 0 (+0) 0101 0 + + (+2) − 0 0 (−1) 0110 − + + (+1) − − + (−1) 0111 − 0 + (+0) 1000 + 0 0 (+1) 0 − − (−2) 1001 + − + (+1) − − − (−3) 1010 + + − (+1) + − − (−1) 1011 + 0 − (+0) 1100 + + + (+3) − + − (−1) 1101 0 + 0 (+1) − 0 − (−2) 1110 0 + − (+0) 1111 + + 0 (+2) 0 0 − (−1) Таблица декодирования.
Манчестерский код относится к самосинхронизирующимся импульсным кодам и имеет два уровня, что обеспечивает хорошую помехозащищенность. Каждый такт (битовый интервал) делится на две части. Информация кодируется перепадами потенциала, происходящими в середине каждого такта.
Единица кодируется перепадом от высокого уровня сигнала к низкому, а ноль - обратным перепадом. В начале такта может происходить служебный перепад сигнала (при передаче несколько единиц или нулей подряд).
Рассмотрим частные случаи кодирования, как в предыдущих случаях.
При манчестерском кодировании обязательное изменение сигнала в середине каждого битового интервала позволяет легко выделить тактовый синхросигнал. Поэтому манчестерский код обладает хорошими самосинхронизирующимися свойствами.
Сигнал не содержит постоянную составляющую, частота основной гармоники сигнала находится в интервале от fо=N/2 Гц до fо=N Гц, изменяясь в зависимости от вида битового потока.
Манчестерское кодирование использовалось в ранних версиях технологии Ethernet со скоростью передачи 10 Мбит/с.
Дифференциальный манчестерский код (Differential Manchester)
Логические значения «0» и «1» передаются соответственно наличием или отсутствием смены уровня сигнала в начале тактового (битового) интервала. В середине битового интервала имеет место обязательная смена значения сигнала.
Дифференциальное манчестерское кодирование
Этот код обладает теми же самыми преимуществами и недостатками, что и манчестерский .
Из всех рассмотренных нами кодов манчестерское кодирование обладает лучшей самосинхронизацией, поскольку перепад сигнала происходит минимум один раз за такт.
Манчестерский код используется в сетях Ethernet со скоростью передачи 10 Мбит/с (10Bаsе-Т). Дифференциальный манчестерский код – в сетях с технологией Token Ring.
В настоящее время разработчики пришли к выводу, что во многих случаях рациональнее применять потенциальное кодирование, ликвидируя его недостатки с помощью, так называемого логического кодирования (см . ниже в этом разделе).
Код с возвратом к нулю rz (Return to Zero)
Бит «1» - импульс одной полярности в первой половине битового интервала, во второй половине битового интервала сигнал имеет нулевой потенциал.
Бит «0» – импульс другой полярности в первой половине битового интервала, во второй половине битового интервала сигнал имеет нулевой потенциал. Код имеет хорошие синхронизирующие свойства.
Для этого кода битовый интервал
.Код с инверсией кодовых значений cmi.
При этом методе передачи бит 1 представляется по правилам квазитроичного кодирования, а бит 0 - в виде двух импульсов противоположной полярности со сменой знака посередине. Код также обладает хорошими синхронизирующими свойствами.
Потенциальный код 2b1q
Это потенциальный код с четырьмя уровнями сигнала для кодирования данных. Название отражает суть кодирования – каждые два бита (2В ) передаются за один такт сигналом определенного уровня (1Q ) . Линейный сигнал имеет четыре состояния. Другими словами, скорость передачи информации N при этом методе кодирования в два раза больше скорости модуляции В.
Кодирование 2B1Q
Сигнал в коде 2B1Q
На рисунке изображен сигнал, соответствующий последовательности бит: 01 01 10 00. Основная частота сигнала в коде 2B1Q не превышает значения fо=N/4 Гц.
Однако для реализации этого метода кодирования мощность передатчика должна быть выше, чтобы четыре значения потенциала четко различались приемником на фоне помех.
Код MLT3 (Multi Level Transmission - 3) .
Используются три уровня передачи: «-1», «0», «+1».
Единице соответствует обязательный переход с одного уровня сигнала на другой на границе тактового интервала.
Нулю соответствует отсутствие изменения уровня линейного сигнала.
При передаче последовательности единиц период изменения уровня сигнала включает четыре бита. В этом случае fо=N/4 Гц. Это максимальная основная частота сигнала в коде MLT-3. В случае чередующейся последовательности нулей и единиц основная гармоника сигнала находится на частоте fо=N/8 Гц , что в два раза меньше чем у кода NRZI .
Сигнал в коде MLT-3
Логическое кодирование
Логическое кодирование выполняется передатчиком до физического кодирования, рассмотренного выше, средствами канального или физического уровня . На этапе логического кодирования борются с недостатками методов физического цифрового кодирования - отсутствие синхронизации , наличие постоянной составляющей . Таким образом, сначала с помощью средств логического кодирования формируются исправленные битовые последовательности, которые потом с помощью простых методов физического кодирования передаются по линиям связи.
Логическое кодирование подразумевает замену бит исходной информационной последовательности новой последовательностью бит, несущей ту же информацию, но обладающей, кроме этого, дополнительными свойствами, например возможностью для приемной стороны обнаруживать ошибки в принятых данных или надежно поддерживать синхронизацию с поступающим сигналом.
Различают два метода логического кодирования :
- кодированиеизбыточным кодом ;
- скремблирование.
Избыточные коды (табличные коды) основаны на разбиении исходной последовательности бит на группы и последующей замене каждой исходной группы кодовым словом в соответствии с таблицей. Кодовое слово всегда содержит большее количество бит, чем исходная группа.
Логический код 4В/5В заменяет исходные группы длиной в 4 бита кодовыми словами длиной в 5 бит. В результате общее количество возможных битовых комбинаций для них (2 5 =32) больше, чем для исходных групп (2 4 =16). Поэтому в кодовую таблицу можно включить 16 таких комбинаций, которые не содержат более двух нулей подряд , и использовать их для передачи данных. Код гарантирует, что при любом сочетании кодовых слов на линии не могут встретиться более трех нулей подряд.
Остальные комбинации кода используются для передачи служебных сигналов (синхронизация передачи, начало блока данных, конец блока данных, управление передачей на канальном уровне). Неиспользуемые кодовые слова могут быть задействованы приемником для обнаружения ошибок в потоке данных. Цена за полученные достоинства при таком способе кодирования данных - снижение скорости передачи полезной информации на 25%.
Линейный код
Символ
Исходная группа
Логическое кодирование 4В/5В используется в сетях Ethernet со скоростью передачи 100МБит/с:
в сочетании с кодом NRZI (спецификация 100Base FX, среда передачи - оптоволокно);
в сочетании с кодом MLT-3 (спецификация 100Base TX, среда передачи UTP Cat 5e).
Имеются также коды и с тремя состояниями сигнала, например, в коде 8В/6Т для кодирования 8 бит исходной информации используются кодовые слова троичного кода из 6 элементов. Каждый элемент может принимать одно из трех значений (+1, 0, -1). Избыточность кода 8В/6Т выше, чем кода 4В/5В , так как на 2 8 = 256 исходных символов приходится 3 6 =729 результирующих кодовых слов. Этот метод кодирования используется в спецификации 100Base T4 – при организации 100Мбит/с Ethernet по кабелю UTP Cat3 (устаревшая спецификация). Здесь для передачи битового потока одновременно используются 3 витые пары. Скорость передачи информации по каждой паре составляет N=100 Мбит/с / 3 = 33,3 Мбит/с, скорость модуляции линейного сигнала равна 25 М Бод (8:6=1,33; 33,3:1,33=25), что позволяет использовать неэкранированную витую пару UTP Cat3.
В коде 8B/10В каждые 8 бит исходной последовательности заменяются десятью битами кодового слова. При этом на 256 исходных комбинаций приходится 1024 результирующих комбинаций. При замене в соответствии с кодовой таблицей соблюдаются следующие правила:
ни одна результирующая комбинация (кодовое слово) не должна иметь более 4-х одинаковых бит подряд;
ни одна результирующая комбинация не должна содержать более 6 нулей или 6 единиц;
Код 8B/10В(+NRZI) используется в стандарте Gigabit Ethernet 1000Base-Х (когда в качестве среды передачи данных используется оптоволокно).
Осуществляют логическое кодирование сетевые адаптеры . Поскольку, использование таблицы перекодировки является очень простой операцией, метод логического кодирования избыточными кодами не усложняет функциональные требования к этому оборудованию.
Для обеспечения заданной пропускной способности N Бит/с передатчик, использующий избыточный код, должен работать с повышенной тактовой частотой. Так, для передачи сигнала в коде 4В/5В со скоростью передачи информации N=100 Мбит/с, передатчик должен работать с тактовой частотой 125 МГц (то есть B =125 МБод) . При этом спектр линейного сигнала расширяется. Тем не менее, спектр сигнала избыточного потенциального кода оказывается уже спектра сигнала в манчестерском коде , что оправдывает дополнительный этап логического кодирования, а также работу приемника и передатчика на повышенной тактовой частоте.
Скремблирование представляет собой такое "перемешивание" исходной битовой последовательности, при котором вероятность появления единиц и нулей на входе модуля физического кодирования становится близкой 0,5. Устройства (или программные модули), выполняющие такую операцию, называются скремблерами (scramble - свалка, беспорядочная сборка) .
Схема включения скремблера в канал связи
Скремблер в передатчике выполняет преобразование структуры исходного цифрового потока. Дескремблер в приемнике восстанавливает исходную последовательность бит. Практически единственной операцией, используемой в скремблерах и дескремблерах, является XOR - "побитное исключающее ИЛИ" (сложение по модулю 2) .
Основная часть скремблера и дескремблера – это генератор псевдослучайной последовательности (ПСП) в виде К-разрядного регистра сдвига с обратными связями.
Различают 2 основных типа пар скремблеров – дескремблеров:
самосинхронизирующиеся;
с начальной установкой (аддитивные).
Самосинхронизирующиеся схемы управляются скремблированной последовательностью. Эти схемы имеют недостаток – размножение ошибок. Влияние ошибочного символа проявляется столько раз, сколько обратных связей имеется в схеме.
Вариант реализации скремблирования в самосинхронизирующейся схеме.
Пусть, например, скремблер реализует соотношение В i =A i +B i -5 +B i -7 .
Здесь Bi – двоичная цифра результирующего кода, полученная на i-м такте работы скремблера; Ai – двоичная цифра исходного кода, поступающая в передатчике на вход скремблера на i-м такте; B i -5 и B i -7 – двоичные цифры результирующего кода, полученные на предыдущих тактах работы скремблера, соответственно на «i-5» и «i-7» тактах.
Дескремблер в приемнике восстанавливает исходную последовательность, используя соотношение
C i =B i +B i-5 +B i-7 =(A i +B i-5 +B i-7)+B i-5 +B i-7 =A i
В аддитивных схемах скремблированная последовательность не поступает на вход регистров сдвига, размножение ошибок отсутствует, но требуется синхронизация работы пары скремблер-дескремблер.
Манчестерский код
В локальных сетях до недавнего времени самым распространенным методом кодирования был так называемый манчестерский код (рис. 2.16, г). Он применяется в технологиях Ethernet и Token Ring.
В манчестерском коде для кодирования единиц и нулей используется перепад потенциала, то есть фронт импульса. При манчестерском кодировании каждый такт делится на две части. Информация кодируется перепадами потенциала, происходящими в середине каждого такта. Единица кодируется перепадом от низкого уровня сигнала к высокому, а ноль - обратным перепадом. В начале каждого такта может происходить служебный перепад сигнала, если нужно представить несколько единиц или нулей подряд. Так как сигнал изменяется по крайней мере один раз за такт передачи одного бита данных, то манчестерский код обладает хорошими самосинхронизирующими свойствами. Полоса пропускания манчестерского кода уже, чем у биполярного импульсного. У него также нет постоянной составляющей, а основная гармоника в худшем случае (при передаче последовательности единиц или нулей) имеет частоту N Гц, а в лучшем (при передаче чередующихся единиц и нулей) она равна N/2 Гц, как и у кодов AMI или NRZ. В среднем ширина полосы манчестерского кода в полтора раза уже, чем у биполярного импульсного кода, а основная гармоника колеблется вблизи значения 3N/4. Манчестерский код имеет еще одно преимущество перед биполярным импульсным кодом. В последнем для передачи данных используются три уровня сигнала, а в манчестерском - два.
Потенциальный код 2B1Q
На рис. 2.16, д показан потенциальный код с четырьмя уровнями сигнала для кодирования данных. Это код 2B1Q , название которого отражает его суть - каждые два бита (2В) передаются за один такт сигналом, имеющим четыре состояния (1Q), Паре бит 00 соответствует потенциал -2,5 В, паре бит 01 соответствует потенциал -0,833 В, паре 11 - потенциал +0,833 В, а паре 10 - потенциал +2,5 В. При этом способе кодирования требуются дополнительные меры по борьбе с длинными последовательностями одинаковых пар бит, так как при этом сигнал превращается в постоянную составляющую. При случайном чередовании бит спектр сигнала в два раза уже, чем у кода NRZ, так как при той же битовой скорости длительность такта увеличивается в два раза. Таким образом, с помощью кода 2B1Q можно по одной и той же линии передавать данные в два раза быстрее, чем с помощью кода AMI или NRZI. Однако для его реализации мощность передатчика должна быть выше, чтобы четыре уровня четко различались приемником на фоне помех.
2.2.3. Логическое кодирование
Логическое кодирование используется для улучшения потенциальных кодов типа AMI, NRZI или 2Q1B. Логическое кодирование должно заменять длинные последовательности бит, приводящие к постоянному потенциалу, вкраплениями единиц. Как уже отмечалось выше, для логического кодирования характерны два метода - избыточные коды и скрэмблирование.
Избыточные коды
Избыточные коды основаны на разбиении исходной последовательности бит на порции, которые часто называют символами. Затем каждый исходный символ заменяется на новый, который имеет большее количество бит, чем исходный. Например, логический код 4В/5В, используемый в технологиях FDDI и Fast Ethernet, заменяет исходные символы длиной в 4 бита на символы длиной в 5 бит. Так как результирующие символы содержат избыточные биты, то общее количество битовых комбинаций в них больше, чем в исходных. Так, в коде 4В/5В результирующие символы могут содержать 32 битовых комбинации, в то время как исходные символы - только 16. Поэтому в результирующем коде можно отобрать 16 таких комбинаций, которые не содержат большого количества нулей, а остальные считать запрещенными кодами (code violation) . Кроме устранения постоянной составляющей и придания коду свойства самосинхронизации, избыточные коды позволяют приемнику распознавать искаженные биты. Если приемник принимает запрещенный код, значит, на линии произошло искажение сигнала.
Соответствие исходных и результирующих кодов 4В/5В представлено ниже.
Код 4В/5В затем передается по линии с помощью физического кодирования по одному из методов потенциального кодирования, чувствительному только к длинным последовательностям нулей. Символы кода 4В/5В длиной 5 бит гарантируют, что при любом их сочетании на линии не могут встретиться более трех нулей подряд.
Буква В в названии кода означает, что элементарный сигнал имеет 2 состояния - от английского binary - двоичный. Имеются также коды и с тремя состояниями сигнала, например, в коде 8В/6Т для кодирования 8 бит исходной информации используется код из 6 сигналов, каждый из которых имеет три состояния. Избыточность кода 8В/6Т выше, чем кода 4В/5В, так как на 256 исходных кодов приходится 3 6 =729 результирующих символов.
Использование таблицы перекодировки является очень простой операцией, поэтому этот подход не усложняет сетевые адаптеры и интерфейсные блоки коммутаторов и маршрутизаторов.
Для обеспечения заданной пропускной способности линии передатчик, использующий избыточный код, должен работать с повышенной тактовой частотой. Так, для передачи кодов 4В/5В со скоростью 100 Мб/с передатчик должен работать с тактовой частотой 125 МГц. При этом спектр сигнала на линии расширяется по сравнению со случаем, когда по линии передается чистый, не избыточный код. Тем не менее спектр избыточного потенциального кода оказывается уже спектра манчестерского кода, что оправдывает дополнительный этап логического кодирования, а также работу приемника и передатчика на повышенной тактовой частоте.
Скрэмблирование
Перемешивание данных скрэмблером перед передачей их в линию с помощью потенциального кода является другим способом логического кодирования.
Методы скрэмблирования заключаются в побитном вычислении результирующего кода на основании бит исходного кода и полученных в предыдущих тактах бит результирующего кода. Например, скрэмблер может реализовывать следующее соотношение:
где Bi - двоичная цифра результирующего кода, полученная на i-м такте работы скрэмблера, Ai - двоичная цифра исходного кода, поступающая на i-м такте на вход скрэмблера, Bi-з и Bi-5 - двоичные цифры результирующего кода, полученные на предыдущих тактах работы скрэмблера, соответственно на 3 и на 5 тактов ранее текущего такта, - операция исключающего ИЛИ (сложение по модулю 2). Например, для исходной последовательности 110110000001 скрэмблер даст следующий результирующий код: B1 = А1 = 1 (первые три цифры результирующего кода будут совпадать с исходным, так как еще нет нужных предыдущих цифр)
Таким образом, на выходе скрэмблера появится последовательность 110001101111, в которой нет последовательности из шести нулей, присутствовавшей в исходном коде.
После получения результирующей последовательности приемник передает ее дескрэмблеру, который восстанавливает исходную последовательность на основании обратного соотношения:
Различные алгоритмы скрэмблирования отличаются количеством слагаемых, дающих цифру результирующего кода, и сдвигом между слагаемыми. Так, в сетях ISDN при передаче данных от сети к абоненту используется преобразование со сдвигами в 5 и 23 позиции, а при передаче данных от абонента в сеть - со сдвигами 18 и 23 позиции.
Существуют и более простые методы борьбы с последовательностями единиц, также относимые к классу скрэмблирования.
Для улучшения кода Bipolar AMI используются два метода, основанные на искусственном искажении последовательности нулей запрещенными символами.
На рис. 2.17 показано использование метода B8ZS (Bipolar with 8-Zeros Substitution) и метода HDB3 (High-Density Bipolar 3-Zeros) для корректировки кода AMI. Исходный код состоит из двух длинных последовательностей нулей: в первом случае - из 8, а во втором - из 5.
Рис. 2.17. Коды B8ZS и HDB3. V - сигнал единицы запрещенной полярности; 1*-сигнал единицы корректной полярности, но заменившей 0 в исходном коде
Код B8ZS исправляет только последовательности, состоящие из 8 нулей. Для этого он после первых трех нулей вместо оставшихся пяти нулей вставляет пять цифр: V-1*-0-V-1*. V здесь обозначает сигнал единицы, запрещенной для данного такта полярности, то есть сигнал, не изменяющий полярность предыдущей единицы, 1* - сигнал единицы корректной полярности, а знак звездочки отмечает тот факт, что в исходном коде в этом такте была не единица, а ноль. В результате на 8 тактах приемник наблюдает 2 искажения - очень маловероятно, что это случилось из-за шума на линии или других сбоев передачи. Поэтому приемник считает такие нарушения кодировкой 8 последовательных нулей и после приема заменяет их на исходные 8 нулей. Код B8ZS построен так, что его постоянная составляющая равна нулю при любых последовательностях двоичных цифр.
Лекция 4: Модель OSI
Уровни и процесс связи в модели OSI
Взаимодействие уровней в процессе связи
Для единого представления данных в сетях с неоднородными устройствами и программным обеспечением международная организация по стандартам ISO (International Standardization Organization) разработала базовую модель связи открытых систем OSI (Open System Interconnection). Эта модель описывает правила и процедуры передачи данных в различных сетевых средах при организации сеанса связи. Основными элементами модели являются уровни, прикладные процессы и физические средства соединения. На рис. 2.1 представлена структура базовой модели. Каждый уровень модели OSI выполняет определенную задачу в процессе передачи данных по сети. Базовая модель является основой для разработки сетевых протоколов. OSI разделяет коммуникационные функции в сети на семь уровней, каждый из которых обслуживает различные части процесса области взаимодействия открытых систем.
Рис. 2.1 Модель OSI
Модель OSI описывает только системные средства взаимодействия, не касаясь приложений конечных пользователей. Приложения реализуют свои собственные протоколы взаимодействия, обращаясь к системным средствам. Если приложение может взять на себя функции некоторых верхних уровней модели OSI, то для обмена данными оно обращается напрямую к системным средствам, выполняющим функции оставшихся нижних уровней модели OSI.
Взаимодействие уровней модели OSI
Модель OSI можно разделить на две различных модели, как показано на рис.2.2:
горизонтальную модель на базе протоколов, обеспечивающую механизм взаимодействия программ и процессов на различных машинах;
вертикальную модель на основе услуг, обеспечиваемых соседними уровнями друг другу на одной машине.
Рис. 2.2 Схема взаимодействия компьютеров в базовой эталонной модели OSI
Каждый уровень компьютера–отправителя взаимодействует с таким же уровнем компьютера-получателя, как будто он связан напрямую. Такая связь называется логической или виртуальной связью. В действительности взаимодействие осуществляется между смежными уровнями одного компьютера.
Итак, информация на компьютере-отправителе должна пройти через все уровни. Затем она передается по физической среде до компьютера–получателя и опять проходит сквозь все слои, пока не доходит до того же уровня, с которого она была послана на компьютере-отправителе.
В горизонтальной модели двум программам требуется общий протокол для обмена данными. В вертикальной модели соседние уровни обмениваются данными с использованием интерфейсов прикладных программ API (Application Programming Interface).
Перед подачей в сеть данные разбиваются на пакеты. Пакет (packet) – это единица информации, передаваемая между станциями сети. При отправке данных пакет проходит последовательно через все уровни программного обеспечения. На каждом уровне к пакету добавляется управляющая информация данного уровня (заголовок), которая необходима для успешной передачи данных по сети, как это показано на рис. 2.3, где Заг – заголовок пакета, Кон – конец пакета.
На принимающей стороне пакет проходит через все уровни в обратном порядке. На каждом уровне протокол этого уровня читает информацию пакета, затем удаляет информацию, добавленную к пакету на этом же уровне отправляющей стороной, и передает пакет следующему уровню. Когда пакет дойдет до Прикладного уровня, вся управляющая информация будет удалена из пакета, и данные примут свой первоначальный вид.
Рис. 2.3 Формирование пакета каждого уровня семиуровневой моделиКаждый уровень модели выполняет свою функцию. Чем выше уровень, тем более сложную задачу он решает.
Отдельные уровни модели OSI удобно рассматривать как группы программ , предназначенных для выполнения конкретных функций . Один уровень, к примеру, отвечает за обеспечение преобразования данных из ASCII в EBCDIC и содержит программы необходимые для выполнения этой задачи.
Каждый уровень обеспечивает сервис для вышестоящего уровня, запрашивая в свою очередь, сервис у нижестоящего уровня. Верхние уровни запрашивают сервис почти одинаково: как правило, это требование маршрутизации каких-то данных из одной сети в другую. Практическая реализация принципов адресации данных возложена на нижние уровни.
Рассматриваемая модель определяет взаимодействие открытых систем разных производителей в одной сети. Поэтому она выполняет для них координирующие действия по:
взаимодействию прикладных процессов;
формам представления данных;
единообразному хранению данных;
управлению сетевыми ресурсами;
безопасности данных и защите информации;
диагностике программ и технических средств.
На рис. 2.4 приведено краткое описание функций всех уровней.
Рис. 2.4 Функции уровней
Прикладной уровень (Application layer)
Прикладной уровень обеспечивает прикладным процессам средства доступа к области взаимодействия, является верхним (седьмым) уровнем и непосредственно примыкает к прикладным процессам. В действительности прикладной уровень – это набор разнообразных протоколов, с помощью которых пользователи сети получают доступ к разделяемым ресурсам, таким как файлы, принтеры или гипертекстовые Web-страницы, а также организуют свою совместную работу, например с помощью протокола электронной почты . Специальные элементы прикладного сервиса обеспечивают сервис для конкретных прикладных программ, таких как программы пересылки файлов и эмуляции терминалов. Если, например программе необходимо переслать файлы, то обязательно будет использован протокол передачи, доступа и управления файлами FTAM (File Transfer, Access, and Management). В модели OSI прикладная программа , которой нужно выполнить конкретную задачу (например, обновить базу данных на компьютере), посылает конкретные данные в виде Дейтаграммы на прикладной уровень . Одна из основных задач этого уровня - определить, как следует обрабатывать запрос прикладной программы, другими словами, какой вид должен принять данный запрос.
Единица данных, которой оперирует прикладной уровень, обычно называется сообщением (message).
Прикладной уровень выполняет следующие функции:
Описание форм и методов взаимодействия прикладных процессов.
Выполнение различных видов работ.
передача файлов;
управление заданиями;
управление системой и т.д.
Идентификация пользователей по их паролям, адресам, электронным подписям;
Определение функционирующих абонентов и возможности доступа к новым прикладным процессам;
Определение достаточности имеющихся ресурсов;
Организация запросов на соединение с другими прикладными процессами;
Передача заявок представительскому уровню на необходимые методы описания информации;
Выбор процедур планируемого диалога процессов;
Управление данными, которыми обмениваются прикладные процессы и синхронизация взаимодействия прикладных процессов;
Определение качества обслуживания (время доставки блоков данных, допустимой частоты ошибок);
Соглашение об исправлении ошибок и определении достоверности данных;
Согласование ограничений, накладываемых на синтаксис (наборы символов, структура данных).
Указанные функции определяют виды сервиса, которые прикладной уровень предоставляет прикладным процессам. Кроме этого, прикладной уровень передает прикладным процессам сервис, предоставляемый физическим, канальным, сетевым, транспортным, сеансовым и представительским уровнями.
На прикладном уровне необходимо предоставить в распоряжение пользователей уже переработанную информацию. С этим может справиться системное и пользовательское программное обеспечение.
Прикладной уровень отвечает за доступ приложений в сеть. Задачами этого уровня является перенос файлов, обмен почтовыми сообщениями и управление сетью.
К числу наиболее распространенных протоколов верхних трех уровней относятся:
FTP (File Transfer Protocol) протокол передачи файлов;
TFTP (Trivial File Transfer Protocol) простейший протокол пересылки файлов;
X.400 электронная почта;
Telnet работа с удаленным терминалом;
SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) простой протокол почтового обмена;
CMIP (Common Management Information Protocol) общий протокол управления информацией;
SLIP (Serial Line IP) IP для последовательных линий. Протокол последовательной посимвольной передачи данных;
SNMP (Simple Network Management Protocol) простой протокол сетевого управления;
FTAM (File Transfer, Access, and Management) протокол передачи, доступа и управления файлами.
Уровень представления данных (Presentation layer)
Уровень представления данных или представительский уровень представляет данные, передаваемые между прикладными процессами, в нужной форме данные.
Этот уровень обеспечивает то, что информация, передаваемая прикладным уровнем, будет понятна прикладному уровню в другой системе. В случаях необходимости уровень представления в момент передачи информации выполняет преобразование форматов данных в некоторый общий формат представления, а в момент приема, соответственно, выполняет обратное преобразование. Таким образом, прикладные уровни могут преодолеть, например, синтаксические различия в представлении данных. Такая ситуация может возникнуть в ЛВС с неоднотипными компьютерами (IBM PC и Macintosh ), которым необходимо обмениваться данными. Так, в полях баз данных информация должна быть представлена в виде букв и цифр, а зачастую и в виде графического изображения. Обрабатывать же эти данные нужно, например, как числа с плавающей запятой.
В основу общего представления данных положена единая для всех уровней модели система ASN.1. Эта система служит для описания структуры файлов, а также позволяет решить проблему шифрования данных. На этом уровне может выполняться шифрование и дешифрование данных, благодаря которым секретность обмена данными обеспечивается сразу для всех прикладных сервисов. Примером такого протокола является протокол Secure Socket Layer (SSL), который обеспечивает секретный обмен сообщениями для протоколов прикладного уровня стека TCP/IP. Этот уровень обеспечивает преобразование данных (кодирование, компрессия и т.п.) прикладного уровня в поток информации для транспортного уровня.
Представительный уровень выполняет следующие основные функции:
Генерация запросов на установление сеансов взаимодействия прикладных процессов.
Согласование представления данных между прикладными процессами.
Реализация форм представления данных.
Представление графического материала (чертежей, рисунков, схем).
Засекречивание данных.
Передача запросов на прекращение сеансов.
Протоколы уровня представления данных обычно являются составной частью протоколов трех верхних уровней модели.
Сеансовый уровень (Session layer)
Сеансовый уровень – это уровень, определяющий процедуру проведения сеансов между пользователями или прикладными процессами.
Сеансовый уровень обеспечивает управление диалогом для того, чтобы фиксировать, какая из сторон является активной в настоящий момент, а также предоставляет средства синхронизации. Последние позволяют вставлять контрольные точки в длинные передачи, чтобы в случае отказа можно было вернуться назад к последней контрольной точке, вместо того чтобы начинать все сначала. На практике немногие приложения используют сеансовый уровень, и он редко реализуется.
Сеансовый уровень управляет передачей информации между прикладными процессами, координирует прием, передачу и выдачу одного сеанса связи. Кроме того, сеансовый уровень содержит дополнительно функции управления паролями, управления диалогом, синхронизации и отмены связи в сеансе передачи после сбоя вследствие ошибок в нижерасположенных уровнях. Функции этого уровня состоят в координации связи между двумя прикладными программами, работающими на разных рабочих станциях. Это происходит в виде хорошо структурированного диалога. В число этих функций входит создание сеанса, управление передачей и приемом пакетов сообщений во время сеанса и завершение сеанса.
На сеансовом уровне определяется, какой будет передача между двумя прикладными процессами:
полудуплексной (процессы будут передавать и принимать данные по очереди);
дуплексной (процессы будут передавать данные, и принимать их одновременно).
В полудуплексном режиме сеансовый уровень выдает тому процессу, который начинает передачу, маркер данных . Когда второму процессу приходит время отвечать, маркер данных передается ему. Сеансовый уровень разрешает передачу только той стороне, которая обладает маркером данных.
Сеансовый уровень обеспечивает выполнение следующих функций:
Установление и завершение на сеансовом уровне соединения между взаимодействующими системами.
Выполнение нормального и срочного обмена данными между прикладными процессами.
Управление взаимодействием прикладных процессов.
Синхронизация сеансовых соединений.
Извещение прикладных процессов об исключительных ситуациях.
Установление в прикладном процессе меток, позволяющих после отказа либо ошибки восстановить его выполнение от ближайшей метки.
Прерывание в нужных случаях прикладного процесса и его корректное возобновление.
Прекращение сеанса без потери данных.
Передача особых сообщений о ходе проведения сеанса.
Сеансовый уровень отвечает за организацию сеансов обмена данными между оконечными машинами. Протоколы сеансового уровня обычно являются составной частью протоколов трех верхних уровней модели.
Транспортный уровень (Transport Layer).
Транспортный уровень предназначен для передачи пакетов через коммуникационную сеть. На транспортном уровне пакеты разбиваются на блоки.
На пути от отправителя к получателю пакеты могут быть искажены или утеряны. Хотя некоторые приложения имеют собственные средства обработки ошибок, существуют и такие, которые предпочитают сразу иметь дело с надежным соединением. Работа транспортного уровня заключается в том, чтобы обеспечить приложениям или верхним уровням модели (прикладному и сеансовому) передачу данных с той степенью надежности, которая им требуется. Модель OSI определяет пять классов сервиса, предоставляемых транспортным уровнем. Эти виды сервиса отличаются качеством предоставляемых услуг: срочностью, возможностью восстановления прерванной связи, наличием средств мультиплексирования нескольких соединений между различными прикладными протоколами через общий транспортный протокол, а главное способностью к обнаружению и исправлению ошибок передачи, таких как искажение, потеря и дублирование пакетов.
Транспортный уровень определяет адресацию физических устройств (систем, их частей) в сети. Этот уровень гарантирует доставку блоков информации адресатам и управляет этой доставкой. Его главной задачей является обеспечение эффективных, удобных и надежных форм передачи информации между системами. Когда в процессе обработки находится более одного пакета, транспортный уровень контролирует очередность прохождения пакетов. Если проходит дубликат принятого ранее сообщения, то данный уровень опознает это и игнорирует сообщение.
В функции транспортного уровня входят:
Управление передачей по сети и обеспечение целостности блоков данных.
Обнаружение ошибок, частичная их ликвидация и сообщение о неисправленных ошибках.
Восстановление передачи после отказов и неисправностей.
Укрупнение или разделение блоков данных.
Предоставление приоритетов при передаче блоков (нормальная или срочная).
Подтверждение передачи.
Ликвидация блоков при тупиковых ситуациях в сети.
Начиная с транспортного уровня, все вышележащие протоколы реализуются программными средствами, обычно включаемыми в состав сетевой операционной системы.
Наиболее распространенные протоколы транспортного уровня включают в себя:
TCP (Transmission Control Protocol) протокол управления передачей стека TCP/IP;
UDP (User Datagram Protocol) пользовательский протокол дейтаграмм стека TCP/IP;
NCP (NetWare Core Protocol) базовый протокол сетей NetWare;
SPX (Sequenced Packet eXchange) упорядоченный обмен пакетами стека Novell;
TP4 (Transmission Protocol) – протокол передачи класса 4.
Манчестерский код относится к самосинхронизирующимся импульсным кодам и имеет два уровня, что обеспечивает хорошую помехозащищенность. Каждый такт (битовый интервал) делится на две части. Информация кодируется перепадами потенциала, происходящими в середине каждого такта.
Единица кодируется перепадом от высокого уровня сигнала к низкому, а ноль - обратным перепадом. В начале такта может происходить служебный перепад сигнала (при передаче несколько единиц или нулей подряд).
Рассмотрим частные случаи кодирования, как в предыдущих случаях.
При манчестерском кодировании обязательное изменение сигнала в середине каждого битового интервала позволяет легко выделить тактовый синхросигнал. Поэтому манчестерский код обладает хорошими самосинхронизирующимися свойствами.
Сигнал не содержит постоянную составляющую, частота основной гармоники сигнала находится в интервале от fо=N/2 Гц до fо=N Гц, изменяясь в зависимости от вида битового потока.
Манчестерское кодирование использовалось в ранних версиях технологии Ethernet со скоростью передачи 10 Мбит/с.
Дифференциальный манчестерский код (Differential Manchester)
Логические значения «0» и «1» передаются соответственно наличием или отсутствием смены уровня сигнала в начале тактового (битового) интервала. В середине битового интервала имеет место обязательная смена значения сигнала.
Дифференциальное манчестерское кодирование
Этот код обладает теми же самыми преимуществами и недостатками, что и манчестерский .
Из всех рассмотренных нами кодов манчестерское кодирование обладает лучшей самосинхронизацией, поскольку перепад сигнала происходит минимум один раз за такт.
Манчестерский код используется в сетях Ethernet со скоростью передачи 10 Мбит/с (10Bаsе-Т). Дифференциальный манчестерский код – в сетях с технологией Token Ring.
В настоящее время разработчики пришли к выводу, что во многих случаях рациональнее применять потенциальное кодирование, ликвидируя его недостатки с помощью, так называемого логического кодирования (см . ниже в этом разделе).
Код с возвратом к нулю rz (Return to Zero)
Бит «1» - импульс одной полярности в первой половине битового интервала, во второй половине битового интервала сигнал имеет нулевой потенциал.
Бит «0» – импульс другой полярности в первой половине битового интервала, во второй половине битового интервала сигнал имеет нулевой потенциал. Код имеет хорошие синхронизирующие свойства.
Для этого кода битовый интервал
.Код с инверсией кодовых значений cmi.
При этом методе передачи бит 1 представляется по правилам квазитроичного кодирования, а бит 0 - в виде двух импульсов противоположной полярности со сменой знака посередине. Код также обладает хорошими синхронизирующими свойствами.
Потенциальный код 2b1q
Это потенциальный код с четырьмя уровнями сигнала для кодирования данных. Название отражает суть кодирования – каждые два бита (2В ) передаются за один такт сигналом определенного уровня (1Q ) . Линейный сигнал имеет четыре состояния. Другими словами, скорость передачи информации N при этом методе кодирования в два раза больше скорости модуляции В.
Кодирование 2B1Q
Сигнал в коде 2B1Q
На рисунке изображен сигнал, соответствующий последовательности бит: 01 01 10 00. Основная частота сигнала в коде 2B1Q не превышает значения fо=N/4 Гц.
Однако для реализации этого метода кодирования мощность передатчика должна быть выше, чтобы четыре значения потенциала четко различались приемником на фоне помех.
Код MLT3 (Multi Level Transmission - 3) .
Используются три уровня передачи: «-1», «0», «+1».
Единице соответствует обязательный переход с одного уровня сигнала на другой на границе тактового интервала.
Нулю соответствует отсутствие изменения уровня линейного сигнала.
При передаче последовательности единиц период изменения уровня сигнала включает четыре бита. В этом случае fо=N/4 Гц. Это максимальная основная частота сигнала в коде MLT-3. В случае чередующейся последовательности нулей и единиц основная гармоника сигнала находится на частоте fо=N/8 Гц , что в два раза меньше чем у кода NRZI .
Сигнал в коде MLT-3
Логическое кодирование
Логическое кодирование выполняется передатчиком до физического кодирования, рассмотренного выше, средствами канального или физического уровня . На этапе логического кодирования борются с недостатками методов физического цифрового кодирования - отсутствие синхронизации , наличие постоянной составляющей . Таким образом, сначала с помощью средств логического кодирования формируются исправленные битовые последовательности, которые потом с помощью простых методов физического кодирования передаются по линиям связи.
Логическое кодирование подразумевает замену бит исходной информационной последовательности новой последовательностью бит, несущей ту же информацию, но обладающей, кроме этого, дополнительными свойствами, например возможностью для приемной стороны обнаруживать ошибки в принятых данных или надежно поддерживать синхронизацию с поступающим сигналом.
Различают два метода логического кодирования :
- кодированиеизбыточным кодом ;
- скремблирование.
Избыточные коды (табличные коды) основаны на разбиении исходной последовательности бит на группы и последующей замене каждой исходной группы кодовым словом в соответствии с таблицей. Кодовое слово всегда содержит большее количество бит, чем исходная группа.
Логический код 4В/5В заменяет исходные группы длиной в 4 бита кодовыми словами длиной в 5 бит. В результате общее количество возможных битовых комбинаций для них (2 5 =32) больше, чем для исходных групп (2 4 =16). Поэтому в кодовую таблицу можно включить 16 таких комбинаций, которые не содержат более двух нулей подряд , и использовать их для передачи данных. Код гарантирует, что при любом сочетании кодовых слов на линии не могут встретиться более трех нулей подряд.
Остальные комбинации кода используются для передачи служебных сигналов (синхронизация передачи, начало блока данных, конец блока данных, управление передачей на канальном уровне). Неиспользуемые кодовые слова могут быть задействованы приемником для обнаружения ошибок в потоке данных. Цена за полученные достоинства при таком способе кодирования данных - снижение скорости передачи полезной информации на 25%.
Линейный код
Символ
Исходная группа
Логическое кодирование 4В/5В используется в сетях Ethernet со скоростью передачи 100МБит/с:
в сочетании с кодом NRZI (спецификация 100Base FX, среда передачи - оптоволокно);
в сочетании с кодом MLT-3 (спецификация 100Base TX, среда передачи UTP Cat 5e).
Имеются также коды и с тремя состояниями сигнала, например, в коде 8В/6Т для кодирования 8 бит исходной информации используются кодовые слова троичного кода из 6 элементов. Каждый элемент может принимать одно из трех значений (+1, 0, -1). Избыточность кода 8В/6Т выше, чем кода 4В/5В , так как на 2 8 = 256 исходных символов приходится 3 6 =729 результирующих кодовых слов. Этот метод кодирования используется в спецификации 100Base T4 – при организации 100Мбит/с Ethernet по кабелю UTP Cat3 (устаревшая спецификация). Здесь для передачи битового потока одновременно используются 3 витые пары. Скорость передачи информации по каждой паре составляет N=100 Мбит/с / 3 = 33,3 Мбит/с, скорость модуляции линейного сигнала равна 25 М Бод (8:6=1,33; 33,3:1,33=25), что позволяет использовать неэкранированную витую пару UTP Cat3.
В коде 8B/10В каждые 8 бит исходной последовательности заменяются десятью битами кодового слова. При этом на 256 исходных комбинаций приходится 1024 результирующих комбинаций. При замене в соответствии с кодовой таблицей соблюдаются следующие правила:
ни одна результирующая комбинация (кодовое слово) не должна иметь более 4-х одинаковых бит подряд;
ни одна результирующая комбинация не должна содержать более 6 нулей или 6 единиц;
Код 8B/10В(+NRZI) используется в стандарте Gigabit Ethernet 1000Base-Х (когда в качестве среды передачи данных используется оптоволокно).
Осуществляют логическое кодирование сетевые адаптеры . Поскольку, использование таблицы перекодировки является очень простой операцией, метод логического кодирования избыточными кодами не усложняет функциональные требования к этому оборудованию.
Для обеспечения заданной пропускной способности N Бит/с передатчик, использующий избыточный код, должен работать с повышенной тактовой частотой. Так, для передачи сигнала в коде 4В/5В со скоростью передачи информации N=100 Мбит/с, передатчик должен работать с тактовой частотой 125 МГц (то есть B =125 МБод) . При этом спектр линейного сигнала расширяется. Тем не менее, спектр сигнала избыточного потенциального кода оказывается уже спектра сигнала в манчестерском коде , что оправдывает дополнительный этап логического кодирования, а также работу приемника и передатчика на повышенной тактовой частоте.
Скремблирование представляет собой такое "перемешивание" исходной битовой последовательности, при котором вероятность появления единиц и нулей на входе модуля физического кодирования становится близкой 0,5. Устройства (или программные модули), выполняющие такую операцию, называются скремблерами (scramble - свалка, беспорядочная сборка) .
Схема включения скремблера в канал связи
Скремблер в передатчике выполняет преобразование структуры исходного цифрового потока. Дескремблер в приемнике восстанавливает исходную последовательность бит. Практически единственной операцией, используемой в скремблерах и дескремблерах, является XOR - "побитное исключающее ИЛИ" (сложение по модулю 2) .
Основная часть скремблера и дескремблера – это генератор псевдослучайной последовательности (ПСП) в виде К-разрядного регистра сдвига с обратными связями.
Различают 2 основных типа пар скремблеров – дескремблеров:
самосинхронизирующиеся;
с начальной установкой (аддитивные).
Самосинхронизирующиеся схемы управляются скремблированной последовательностью. Эти схемы имеют недостаток – размножение ошибок. Влияние ошибочного символа проявляется столько раз, сколько обратных связей имеется в схеме.
Вариант реализации скремблирования в самосинхронизирующейся схеме.
Пусть, например, скремблер реализует соотношение В i =A i +B i -5 +B i -7 .
Здесь Bi – двоичная цифра результирующего кода, полученная на i-м такте работы скремблера; Ai – двоичная цифра исходного кода, поступающая в передатчике на вход скремблера на i-м такте; B i -5 и B i -7 – двоичные цифры результирующего кода, полученные на предыдущих тактах работы скремблера, соответственно на «i-5» и «i-7» тактах.
Дескремблер в приемнике восстанавливает исходную последовательность, используя соотношение
C i =B i +B i-5 +B i-7 =(A i +B i-5 +B i-7)+B i-5 +B i-7 =A i
В аддитивных схемах скремблированная последовательность не поступает на вход регистров сдвига, размножение ошибок отсутствует, но требуется синхронизация работы пары скремблер-дескремблер.
Код RZ (Return to Zero – с возвратом к нулю) – этот трехуровневый код получил такое название потому, что после значащего уровня сигнала в первой половине битового интервала следует возврат к некоему "нулевому", среднему уровню (например, к нулевому потенциалу). Переход к нему происходит в середине каждого битового интервала. Логическому нулю, таким образом, соответствует положительный импульс, логической единице – отрицательный (или наоборот) в первой половине битового интервала.
В центре битового интервала всегда есть переход сигнала (положительный или отрицательный), следовательно, из этого кода приемник легко может выделить синхроимпульс (строб). Возможна временная привязка не только к началу пакета, как в случае кода NRZ , но и к каждому отдельному биту, поэтому потери синхронизации не произойдет при любой длине пакета.
Еще одно важное достоинство кода RZ – простая временная привязка приема, как к началу последовательности, так и к ее концу. Приемник просто должен анализировать, есть изменение уровня сигнала в течение битового интервала или нет. Первый битовый интервал без изменения уровня сигнала соответствует окончанию принимаемой последовательности бит (рис. 3.12). Поэтому в коде RZ можно использовать передачу последовательностями переменной длины.
Рис. 3.12.Недостаток кода RZ состоит в том, что для него требуется вдвое большая полоса пропускания канала при той же скорости передачи по сравнению с NRZ (так как здесь на один битовый интервал приходится два изменения уровня сигнала). Например, для скорости передачи информации 10 Мбит/с требуется пропускная способность линии связи 10 МГц, а не 5 МГц, как при коде NRZ (рис. 3.13).
Рис. 3.13.Другой важный недостаток – наличие трех уровней, что всегда усложняет аппаратуру как передатчика, так и приемника.
Код RZ применяется не только в сетях на основе электрического кабеля, но и в оптоволоконных сетях. Правда, в них не существует положительных и отрицательных уровней сигнала, поэтому используется три следующих уровня: отсутствие света, "средний" свет, "сильный" свет. Это очень удобно: даже когда нет передачи информации, свет все равно присутствует, что позволяет легко определить целостность оптоволоконной линии связи без дополнительных мер (рис. 3.14).
Рис. 3.14.Манчестерский код
Манчестерский код (или код Манчестер-II) получил наибольшее распространение в локальных сетях. Он также относится к самосинхронизирующимся кодам , но в отличие от RZ имеет не три, а всего два уровня, что способствует его лучшей помехозащищенности и упрощению приемных и передающих узлов. Логическому нулю соответствует положительный переход в центре битового интервала (то есть первая половина битового интервала – низкий уровень, вторая половина – высокий), а логической единице соответствует отрицательный переход в центре битового интервала (или наоборот).
Как и в RZ, обязательное наличие перехода в центре бита позволяет приемнику манчестерского кода легко выделить из пришедшего сигнала синхросигнал и передать информацию сколь угодно большими последовательностями без потерь из-за рассинхронизации. Допустимое расхождение часов приемника и передатчика может достигать 25%.
Подобно коду RZ, при использовании манчестерского кода требуется пропускная способность линии в два раза выше, чем при применении простейшего кода NRZ . Например, для скорости передачи 10 Мбит/с требуется полоса пропускания 10 МГц (рис. 3.15).
Рис. 3.15.Как и при коде RZ, в данном случае приемник легко может определить не только начало передаваемой последовательности бит, но и ее конец. Если в течение битового интервала нет перехода сигнала, то прием заканчивается. В манчестерском коде можно передавать последовательности бит переменной длины (рис. 3.16). Процесс определения времени передачи называют еще контролем несущей , хотя в явном виде несущей частоты в данном случае не присутствует.
Рис. 3.16.Манчестерский код используется как в электрических, так и в оптоволоконных кабелях (в последнем случае один уровень соответствует отсутствию света, а другой – его наличию).
Основное достоинство манчестерского кода – постоянная составляющая в сигнале (половину времени сигнал имеет высокий уровень, другую половину – низкий). Постоянная составляющая равна среднему значению между двумя уровнями сигнала.
Если высокий уровень имеет положительную величину, а низкий – такую же отрицательную, то постоянная составляющая равна нулю. Это дает возможность легко применять для гальванической развязки импульсные трансформаторы. При этом не требуется наличие дополнительного источника питания для линии связи (как, например, в случае использования оптронной гальванической развязки ), резко уменьшается влияние низкочастотных помех, которые не проходят через трансформатор, легко решается проблема согласования .
Если же один из уровней сигнала в манчестерском коде нулевой (как, например, в сети Ethernet), то величина постоянной составляющей в течение передачи будет равна примерно половине амплитуды сигнала. Это позволяет легко фиксировать столкновения пакетов в сети (конфликт, коллизию) по отклонению величины постоянной составляющей за установленные пределы.
Частотный спектр сигнала при манчестерском кодировании включает в себя только две частоты: при скорости передачи 10 Мбит/с это 10 МГц (соответствует передаваемой цепочке из одних нулей или из одних единиц) и 5 МГц (соответствует последовательности из чередующихся нулей и единиц: 1010101010.. .). Поэтому с помощью простейших полосовых фильтров можно легко избавиться от всех других частот (помехи, наводки, шумы).
