Методи кодування інформації в локальних мережах

Кодування переданої по мережі інформації має саме безпосереднє відношення до співвідношення максимально припустимої швидкості передачі і пропускної здатності використовуваного середовища передачі. Наприклад, при різних кодах гранична швидкість передачі по тому самому кабелі може відрізнятися в два рази. Від обраного коду прямо залежать також складність мережної апаратури і надійність передачі інформації.

Деякі коди, використовувані в локальних мережах, показані на (рис. 12) Розглянемо їхні переваги і недоліки.

- 18 - - 19 -

Код NRZ (Non Return to Zero - без повернення до нуля) - це найпростіший код, що представляє собою практично звичайний цифровий сигнал (правда, можливе перетворення на зворотну полярність або зміну рівнів, що відповідають нулеві й одиниці).

Рис. 12. Найбільш розповсюджені коди передачі інформації

Рис. 13. Швидкість передачі і необхідна пропускна здатність при коді NRZ

До безсумнівних переваг коду NRZ відносяться його дуже проста реалізація (вихідний сигнал не треба ні кодувати на передавальному кінці, ні декодувати на прийомному кінці), а також мінімальна серед інших кодів пропускна здатність лінії зв'язку, необхідна при даній швидкості передачі. Приклад: найбільш часта зміна сигналу в мережі буде при безперервному чергуванні одиниць і нулів, тобто при послідовності 10101010] 0..., тому при швидкості передачі, що дорівнює 10 Мбіт/с (тривалість одного біта 100 нс), частота зміни сигналу і відповідно. необхідна пропускна здатність лінії складе 1 / 200 нс = 5 Мгц (рис. 13).

Найбільший недолік коду NRZ - це можливість втрати синхронізації приймачем при прийомі занадто довгих блоків (пакетів) інформації. Приймач може прив'язувати момент початку прийому тільки до першого (стартового) біта пакета, а протягом прийому пакета він змушений користуватися тільки власним внутрішнім тактовим генератором. Якщо генератор частоти приймача розходяться з генератором частоти передавача в ту або іншу сторону, то часове зрушення до кінця прийому пакета може перевищити тривалість одного біта або навіть декількох біт. У результаті відбудеться втрата переданих даних. Так, при довжині пакета в 10 Кбіт припустима розбіжність часу складе не більш 0,01% навіть при ідеальній передачі форми сигналу по кабелі.

Щоб уникнути втрати синхронізації, можна було б увести другу лінію зв'язку для синхросигналу (рис. 14). Але при цьому необхідна кількість ліній кабелю збільшується в два рази, кількість приймачів і передавачів також збільшується в два рази. При великій довжині мережі і великій кількості абонентів це виявляється невигідним.

Рис. 14. Передача в коді NRZ із синхросигналом

Тому код NRZ використовується тільки для передачі короткими пакетами (звичайно до 1 Кбіта). Для синхронізації початку прийому пакета використовується стартовий службовий біт, чий рівень відрізняється від пасивного стану лінії зв'язку (наприклад, пасивний стан лінії при відсутності передачі - 0, стартовий біт - 1). Найбільш відоме застосування коду NRZ - стандарт RS232-C, послідовний порт персонального комп'ютера. Передача інформації в ньому ведеться байтами (8 біт), супроводжуваними стартовим і стоповим бітами.

Код RZ (Return to Zero - з поверненням до нуля) - цей трирівневий код одержав таку назву тому, що після значущого рівня сигналу в першій половині переданого біта інформації здійснюється повернення до якогось «нульового» рівня (наприклад, до нульового потенціалу). Перехід до нього відбувається в середині кожного біта. Логічному нулеві, таким чином, відповідає позитивний імпульс, логічній одиниці негативний (або навпаки) у першій половині бітового інтервалу.

Особливістю коду RZ є те, що в центрі біта завжди є перехід (позитивний або негативний), отже, з цього коду приймач може виділити синхроімпульс (строб). У даному випадку можлива тимчасова прив'язка не тільки до початку пакета, як у випадку коду NRZ, але і до кожного окремого біта, тому втрати синхронізації не відбудеться при будь-якій довжині пакета. Такі коди, що несуть у собі строб, одержали назва самосинхронізуємих.

Недолік коду RZ полягає в тому, що для нього потрібно удвічі більша смуга пропущення каналу при тій же швидкості передачі в порівнянні з NRZ (тому що тут на один біт приходиться дві зміни рівня напруги). Наприклад, для швидкості передачі інформації 10 Мбіт/с потрібна пропускна здатність лінії зв'язку 10 Мгц, а не 5 Мгц, як при коді NRZ.

- 20 - - 21 -

Код RZ застосовується не тільки в мережах на основі електричного кабелю, але й в оптоволоконних мережах. Оскільки в них не існує позитивних і негативних рівнів сигналу, використовується три рівні: відсутність світла, «середнє» світло, «сильне» світло. Це дуже зручно: навіть коли немає передачі інформації, світло все рівно є присутнім, що дозволяє легко визначити цілісність оптоволоконної лінії зв'язку без додаткових заходів (рис. 15).

Рис. 15. Використання коду RZ в оптоволоконних мережах

Код Манчестер-П, або манчестерський код, одержав найбільше поширення в локальних мережах. Він також відноситься до кодів, що самі синхронізуються, але на відміну від коду RZ має не три, а всього два рівні, що сприяє його кращої перешкодозахищеності. Логічному нулеві відповідає позитивний перехід у центрі біта (тобто перша половина бітового інтервалу - низький рівень, друга половина — високий), а логічній одиниці відповідає негативний перехід у центрі біта (або навпаки).

Обов'язкова наявність переходу в центрі біта дозволяє приймачеві коду Манчестер-П легко виділити із сигналу, що прийшов, синхросигнал, що дає можливість передавати інформацію якими завгодно великими пакетами без утрат через втрату синхронізації. Припустима розбіжність частоти приймача і передавача може досягати величини 25%. Як і у випадку коду RZ, пропускна здатність лінії потрібна в два рази більше, ніж при використанні найпростішого коду NRZ. Наприклад, для швидкості передачі 10 Мбіт/с потрібна смуга пропущення 10 Мгц. Код Манчестер-П використовується в електричних та оптоволоконних кабелях (в останньому випадку один рівень відповідає відсутності світла, а іншої - наявності світла).

Велика перевага манчестерського коду — відсутність постійної складової в сигналі (половину часу сигнал позитивний, іншу половину - негативний). Це дає можливість застосовувати для гальванічної розв'язки імпульсні трансформатори. При цьому не потрібно додаткового джерела живлення для лінії зв'язку (як у випадку використання оптронної розв'язки), різко зменшується вплив низькочастотних перешкод, що не проходять через трансформатор, легко вирішується проблема узгодження. Якщо ж один з рівнів сигналу в манчестерському коді нульовий (як, наприклад, у мережі Ethernet), то величина постійної складової протягом передачі буде дорівнювати приблизно половиі амплітуди сигналу. Це дозволяє легко фіксувати зіткнення пакетів у мережі (конфлікт, колізію) по відхиленню величини постійної складової за встановлені межі.

Частотний спектр сигналу при манчестерському кодуванні містить у собі тільки дві частоти: при швидкості передачі 10 Мбіт/с це 10 Мгц (відповідає переданому ланцюжкові з одних нулів або з одних одиниць) і 5 Мгц (відповідає послідовності з нулів, що чергуються, і одиниць: 1010101010 ...), тому за допомогою найпростіших смугових фільтрів можна легко відфільтрувати всі інші частоти (перешкоди, наведення, шуми).

Так само як і у випадку коду RZ, при манчестерському кодуванні дуже просто визначити, йде передача чи ні, тобто визначати (детектувати) зайнятість мережі або, як ще говорять, виявляти несущу частоту. Для цього досить контролювати, чи відбувається зміна сигналу протягом бітового інтервалу. Виявлення несущої частоти необхідне, наприклад, для визначення моменту початку і кінця прийнятого пакета, а також для запобігання початку передачі у випадку зайнятості мережі (коли інформацію передає якийсь інший абонент).

Стандартний манчестерський код має кілька варіантів, один із яких показаний на (рис. 12). Даний код, на відміну від класичного, не залежить від зміни місць двох проводів кабелю. Особливо це зручно у випадку, коли для зв'язку використовується кручена пари, проводи якої легко переплутати. Саме цей код використовується в одній з найвідоміших мереж Token-Ring фірми IBM.

Принцип дії даного коду простий: на початку кожного бітового інтервалу сигнал змінює рівень на протилежний попередньому, а в середині одиничних (і тільки одиничних) бітових інтервалів рівень змінюється ще раз. Таким чином, на початку бітового інтервалу завжди є перехід, що використовується для самосинхронізації. Як і у випадку класичного коду Манчестер-П, у частотному спектрі при цьому є присутніми дві частоти. При швидкості 10 Мбіт/с це частоти 10 Мгц (при послідовності одних одиниць: 11111111...) і 5 Мгц (при послідовності одних нулів: 00000000...).

Зауважимо, що швидкість передачі в бодах дорівнює швидкості передачі в бітах у секунду тільки у випадку коду NRZ. Швидкість у бодах характеризує не кількість переданих біт у секунду, а кількість змін рівня сигналу в секунду. При використанні кодів RZ або Манчестер-П необхідна швидкість у бодах виявляється удвічі вище, ніж при коді NRZ, тому логічніше вимірювати швидкість передачі по мережі не в бодах, а в бітах у секунду (біт/с, Кбіт/с, Мбіт/с).

Усі розроблювальні останнім часом коди покликані знайти компроміс між необхідною при заданій швидкості передачі смугою пропущення кабелю і можливістю самосинхронізації. Розроблювачі прагнуть зберегти самосинхронізацію, але не ціною дворазового збільшення смуги пропущення.

- 22 - - 23 -

Найчастіше для цього в потік переданих бітів додають біти синхронізації, наприклад, один біт синхронізації на 4, 5 або 6 інформаційних бітів або два біти синхронізації на 8 інформаційних бітів. У дійсності усі обстоїть трохи складніше: кодування не зводиться до простої вставки в передані дані додаткових бітів. Групи інформаційних бітів перетворюються в передані по мережі групи з кількістю бітів на один або два більше. Приймач, природно, здійснює зворотне перетворення, відновлює вихідні інформаційні біти. Досить просто здійснюється в цьому випадку і виявлення несущої частоти (тобто детектування передачі).

Так, у мережі FDDI (швидкість передачі 100 Мбіт/с) застосовується код 4В/5В, що 4 інформаційних біти перетворює у 5 переданих бітів. При цьому синхронізація приймача здійснюється один раз на 4 біти, а не в кожнім біті, як у випадку коду Манчестер-П. Необхідна смуга пропущення збільшується в порівнянні з кодом NRZ не в два рази, а тільки в 1,25 рази (тобто складає не 100 Мгц, а тільки 62,5 Мгц). На тому же принципі будуються й інші коди, наприклад 5В/6В, що використовується у стандартній мережі 100VG-AnyLAN, або 8В/10В, використовуваний у мережі Gigabit Ethernet.

У сегменті 100BASE-T4 мережі Fast Ethernet застосований інший підхід. Там використовується код 8В/6Т, що передбачає рівнобіжну передачу трьох трирівневих сигналів по трьом крученим парам. Це дозволяє досягти швидкості передачі 100 Мбіт/с на дешевих кабелях із крученими парами категорії 3, що мають смугу пропущення лише 6 Мгц . Це вимагає більшої витрати кабелю і збільшення кількості приймачів і передавачів. До того ж принципово важливо, щоб усі проводи були однієї довжини, щоб затримки сигналу в них не розрізнялися на помітну величину.

Усі згадані коди передбачають безпосередню передачу в мережу цифрових дво- або трирівневих прямокутних імпульсів. Однак іноді в мережах використовується й інший шлях - модуляція інформаційними імпульсами високочастотного аналогового сигналу. Таке аналогове кодування дозволяє при переході на широкополосну передачу істотно збільшити пропускну здатність каналу зв'язку. До того ж, як уже відзначалося, при проходженні по каналу зв'язку аналогового сигналу (синусоїдального) не спотворюється форма сигналу, а тільки зменшується його амплітуда, а у випадку цифрового сигналу ще і спотворюється форма сигналу.

До найпростіших видів аналогового кодування відносяться наступні (рис. 16):

· амплітудна модуляція (AM), при якій логічній одиниці відповідає наявність сигналу, а логічному нулеві - його відсутність (або сигнал меншої амплітуди), частота сигналу залишається постійною;

· частотна модуляція (ЧМ), при якій логічній одиниці відповідає сигнал більш високої частоти, а логічному нулеві - сигнал більш низької частоти (або навпаки), амплітуда сигналу залишається постійною;

· фазова модуляція (ФМ), при якій зміні логічного нуля на логічну одиницю і логічну одиницю на логічний нуль відповідає різка зміна фази синусоїдального сигналу однієї і тієї ж частоти й амплітуди.

Найчастіше аналогове кодування використовується при передачі інформації з каналу з вузькою смугою пропущення, наприклад по телефонних лініях у глобальних мережах. У локальних мережах воно застосовується рідко через високу складність і вартість модуляторів/демодуляторів.

Рис. 16. Аналогове кодування цифрової інформації

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. Перелічіть електричні характеристика кабелю лінії зв’язку.
2. На що впливає така характеристика кабелю як хвильовий опір?
3. Як відбувається узгодження опору електричної лінії при передачі?
4. Чи пов’язаний тип мережевого адаптеру з типом кабелю? Чому?
5. Чому відбувається загасання сигналів в електричному кабелю?
6. Як відвернути чи поменшити вплив на кабель зовнішніх полів?
7. Як виконується екран кабелю та які існують типи екранування?
8. Що розуміють під диференційною передачею сигналів?
9. Які типи кабелів використовують в мережах на сьогоднішній день?
10. Чому при з’єднанні декількох територіально рознесених комп’ютерів електричним кабелем обов’язково виконувати заземлення?
11. Як виконується правильне з’єднання комп’ютерів електричним кабелем?
12. Що розуміють під кодуванням переданої по мережі інформації?
13. Що залежить від обраного методу кодування в мережі?
14. Які методи кодування використовують на сьогоднішній день? Які з них найбільш актуальні?
15. Як виконується аналогове кодування в мережі?

- 24 - - 25 -

Самостійна робота №4

ТЕМА: Класифікація та структура модемів

Структура модему містить типові функціональні вузли обробки і перетворення сигналів, з числа яких виключені деякі другорядні вузли, призначені для організації синхронізації й обробки службових сигналів. Далі вузли, що здійснюють пряме і зворотне перетворення в передавальної і прийомної частини модему, розглядаються попарно.

Кодер/декодер призначені для захисту від помилок і «стиску» даних. Захист від помилок припускає включення в пакети переданих даних надлишкового циклічного коду (CRC), як і в локальних комп'ютерних мережах. При цьому як стандартні протоколи, що більш докладно описують формати даних (у тому числі число біт у коді CRC - 16 або 32), використовуються протоколи серії MNP (Microcom Networking Protocol від фірми Microcom) або V.42 (міжнародний стандарт ITU-T).

Протокол V.42bis являє собою протокол стиску даних. Якщо не можна збільшити пропускну здатність лінії передачі через обмеження, що накладається теоремою Шеннона, то можна зменшити надмірність переданої текстової інформації, використовуючи властивість повторюваності ланцюжків символів у словах. Для цього на передавальному і прийомному кінці лінії модеми (точніше, їх кодери і декодери) організують і підтримують ідентичні динамічні словники у виді структур типу дерева з окремими символами як вузлами. Досить передавати не самі слова, а, фактично, спеціальним образом описані (у виді чисел) частини словників (шляхи в дереві), що містять необхідні послідовності символів. Так, частина словника дозволяє описати рядка символів А, В, ВА, BAG, BAR, BI, BIN, C, D, DE, DO і DOG щодо відповідних кореневих вузлів.

Скремблер/дескремблер роблять таке перетворення переданого і прийнятого сигналів, що виключає вплив довгих ланцюжків з логічний нулів або одиниць, а також коротких повторюваних послідовностей на надійність синхронізації в прийомній частини модему. Скремблер при необхідності «проріджує» такі послідовності за рахунок логічних нулів, що вставляються примусово, або одиниць, роблячи перетворені дані псевдоможливими, а дескремблер видаляє зайві біти, відновлюючи вихідний вид даних.

Проблема залежності якості синхронізації від виду переданих даних істотна, звичайно, не тільки при модемному зв'язку, але і при будь-яких видах обмінів цифровими даними по послідовній лінії передачі, у якій не передбачена посилка окремого синхросигналу. Така ситуація характерна для комп'ютерних мереж, у яких для рішення зазначеної проблеми замість простих кодів передачі використовуються коди, що самосинхронізуються, (типу дворівневих кодів Манчестер-ІІ або трирівневих кодів з високою щільністю одиниць — КВІІ або BNZS в англійському варіанті назви).

Эквалайзер включається в прийомну частину модему і служить для компенсації залежності групового часу запізнювання в лінії від частоти. Для поліпшення якості передачі мовних сигналів їх спектральні складові на різних частотах повинні приходити до вилученого модему з однаковою затримкою. На практиці у високошвидкісних модемах власний груповий час запізнювання эквалайзера підстроюється автоматично.

При дуплексному обміні передавальний модем може сприйняти породжений їм же сигнал, відбитий від іншого кінця лінії, як такий, що прийшов від вилученого модему. У стандартах для високошвидкісних модемів (зокрема, у стандарті V.34) передбачена процедура луни-компенсації і встановлені обмеження на рівень відбитого сигналу (він повинний бути менше корисного сигналу не менш чим на 25...30 дб) і його максимальну затримку (не більш 200...300 мс). Практична реалізація луни-компенсації у високошвидкісних модемах передбачає автоматичне визначення параметрів відбитого сигналу (його амплітуди і затримки) на етапі встановлення з'єднання.

Фільтри і підсилювачі є традиційними пристроями при обробці сигналів на тлі шумів і перешкод і не мають потреби в більш докладному описі. У той же час модулятор і демодулятор у модемах реалізують специфічні і досить складні методи модуляції, що розглядаються далі.

У сучасних модемах велика частина функцій виконується програмою, що керує роботою цифрового сигнального процесора (ЦСП). Для виключення ефекту накладення спектрів принциповим є використання безперервних аналогових фільтрів. Потрібні також аналогові підсилювачі, АЦП і ЦАП для перетворення аналогових сигналів у цифрові і навпаки.