Кодирование манчестерским кодом. Назначение и формат кода “Манчестер–2”. Решение проблем ограничений

Механизм кодирования

Цифровая передача данных требует выполнения нескольких обязательных операций:

· синхронизация тактовой частоты передатчика и приемника;

· преобразование последовательности битов в электрический сигнал;

· уменьшение частоты спектра электрического сигнала с помощью фильтров;

· передача урезанного спектра по каналу связи;

· усиление сигнала и восстановление его формы приемником;

· преобразование аналогового сигнала в цифровой.

Рассмотрим взаимосвязь тактовой частоты и битовой последовательности. Битовый поток передается со скоростью, определяемой числом бит в единицу времени. Другими словами биты в секунду - это число дискретных изменений сигнала в единицу времени. Тактовая частота, измеряемая в герцах, это число синусоидальных изменений сигнала в единицу времени.

Данное очевидное соответствие породило ошибочное представление об адекватности значений герц и бит в секунду. На практике все сложнее. Скорость передачи данных, как правило, выше тактовой частоты. Для увеличения скорости передачи сигнал может идти параллельно по нескольким парам. Данные могут передаваться битами или байтами. Кодированный сигнал может иметь два, три, пять и более уровней. Некоторые методы кодирования сигналов требуют дополнительного кодирования данных или синхронизации, которые уменьшают скорость передачи информационных сигналов.

Как видно из таблицы, однозначного соответствия МГц и Мбит/с не существует.

Таблица 1. Соотношение между категорией канала, диапазоном частот и максимальной скоростью передачи данных

Каждый протокол требует определенную ширину спектра или, если хотите, ширину информационной магистрали . Схемы кодирования усложняют для того, чтобы эффективнее использовать информационные магистрали. Как и в аналогии с двигателем, совсем необязательно раскручивать его до максимальных оборотов, целесообразнее включить передачу.

Первая передача - коды RZ и Манчестер-II

Код RZ

RZ - это трехуровневый код, обеспечивающий возврат к нулевому уровню после передачи каждого бита информации. Его так и называют кодирование с возвратом к нулю (Return to Zero). Логическому нулю соответствует положительный импульс, логической единице - отрицательный.

Информационный переход осуществляется в начале бита, возврат к нулевому уровню - в середине бита. Особенностью кода RZ является то, что в центре бита всегда есть переход (положительный или отрицательный). Следовательно, каждый бит обозначен. Приемник может выделить синхроимпульс (строб), имеющий частоту следования импульсов, из самого сигнала. Привязка производится к каждому биту, что обеспечивает синхронизацию приемника с передатчиком. Такие коды, несущие в себе строб, называются самосинхронизирующимися .

Недостаток кода RZ состоит в том, что он не дает выигрыша в скорости передачи данных . Для передачи со скоростью 10 Мбит/с требуется частота несущей 10 МГц. Кроме того, для различения трех уровней необходимо лучшее соотношение сигнал / шум на входе в приемник, чем для двухуровневых кодов.

Наиболее часто код RZ используется в оптоволоконных сетях . При передаче света не существует положительных и отрицательных сигналов, поэтому используют три уровня мощности световых импульсов.

Код Манчестер-II

Код Манчестер-II или манчестерский код получил наибольшее распространение в локальных сетях . Он также относится к самосинхронизирующимся кодам , но в отличие от кода RZ имеет не три, а только два уровня, что обеспечивает лучшую помехозащищенность.

Логическому нулю соответствует переход на верхний уровень в центре битового интервала, логической единице - переход на нижний уровень. Логика кодирования хорошо видна на примере передачи последовательности единиц или нулей. При передаче чередующихся битов частота следования импульсов уменьшается в два раза.

Информационные переходы в средине бита остаются, а граничные (на границе битовых интервалов) - при чередовании единиц и нулей отсутствуют. Это выполняется с помощью последовательности запрещающих импульсов. Эти импульсы синхронизируются с информационными и обеспечивают запрет нежелательных граничных переходов.

Изменение сигнала в центре каждого бита позволяет легко выделить синхросигнал. Самосинхронизация дает возможность передачи больших пакетов информацию без потерь из-за различий тактовой частоты передатчика и приемника.

Большое достоинство манчестерского кода - отсутствие постоянной составляющей при передаче длинной последовательности единиц или нулей . Благодаря этому гальваническая развязка сигналов выполняется простейшими способами, например, с помощью импульсных трансформаторов. Хорошая помехозащищенность. Критерием ошибки является «замораживание» сигнала на одном из уровней на время, превышающее время передачи одного информационного бита, поскольку сигнал всегда «колеблется» и никогда не «замирает».

Частотный спектр сигнала при манчестерском кодировании включает только две несущие частоты. Для десятимегабитного протокола - это 10 МГц при передаче сигнала, состоящего из одних нулей или одних единиц, и 5 МГц - для сигнала с чередованием нулей и единиц. Поэтому с помощью полосовых фильтров можно легко отфильтровать все другие частоты.

Код Манчестер-II нашел применение в оптоволоконных и электропроводных сетях. Самый распространенный протокол локальных сетей Ethernet 10 Мбит/с использует именно этот код .

Каналы, использующие код «Манчестер II»

Данная схема демонстрирует на каком этапе осуществляется суммирование битового сигнала и строба и наоборот – разложение манчестерского.

Код RZ

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.). Поэтому в коде RZ можно использовать передачу последовательностями переменной длины.

Определение начала и конца приема при коде RZ

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.

Скорость передачи и пропускная способность при коде RZ

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 следующие 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.

Использование кода RZ в оптоволоконных сетях

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).

Скорость передачи и пропускная способность при манчестерском коде

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.

Определение начала и конца приема при манчестерском коде

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 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).

Применяются два основных типа физического кодирования – на основе синусоидального несущего сигнала и на основе последовательности прямоугольных импульсов. Первый способ часто называется также модуляцией или аналоговой модуляцией , подчеркивая тот факт, что кодирование осуществляется за счет изменения параметров аналогового сигнала. Второй способ обычно называют цифровым кодированием . Эти способы отличаются шириной спектра результирующего сигнала и сложностью аппаратуры, необходимой для их реализации.

При цифровом кодировании дискретной информации применяют потенциальные и импульсные коды. В потенциальных кодах для представления логических единиц и нулей используется только значение потенциала сигнала, а его перепады, формирующие законченные импульсы, во внимание не принимаются. Импульсные коды позволяют представить двоичные данные либо импульсами определенной полярности, частью импульса – перепадом потенциала определенного направления.

При использовании прямоугольных импульсов для передачи дискретной информации необходимо выбрать такой способ кодирования, который одновременно бы достигал нескольких целей:

имел при одной и той же битовой скорости наименьшую ширину спектра результирующего сигнала;
обеспечивал синхронизацию между передатчиком и приемником;
обладал способностью распознавать ошибки;
обладал низкой стоимостью реализации.

Более узкий спектр сигналов позволяет на одной и той же линии (с одной и той же полосой пропускания) добиваться более высокой скорости передачи данных. Кроме того, часто к спектру сигнала предъявляется требование отсутствия постоянной составляющей, то есть наличия постоянного тока между передатчиком и приемником. Синхронизация передатчика и приемника нужна для того, чтобы приемник точно знал в какой момент времени необходимо считывать новую информацию с линии связи. В сетях применяются так называемые самосинхронизирующиеся коды, сигналы которых несут для передатчика информации о том, в какой момент времени необходимо осуществить распознавание очередного бита.

Требования, предъявляемые к методам кодирования, являются взаимно противоречивыми, поэтому каждый из рассмотренных ниже методов цифрового кодирования обладает своими преимуществами и своими недостатками по сравнению с другими

На рис. приведены наиболее популярные способы физического кодирования.

Потенциальный код без возвращения к нулю (Non Return to Zero, NRZ)

Метод NRZ прост в реализации, обладает хорошей распознаваемостью ошибок (из-за двух резко отличающихся потенциалов), но не обладает свойством самосинхронизации. При передаче длинной последовательности единиц или нулей сигнал на линии не изменяется, поэтому приемник лишен возможности определять по входному сигналу моменты времени, когда в очередной раз нужно считывать данные. Для синхронизации начала приема пакета используется стартовый служебный бит, например, единица. Самый распространенный протокол RS232, применяемый для соединений через последовательный порт ПК, также использует код NRZ. Передача информации ведется байтами по 8 бит, сопровождаемыми стартовыми и стоповыми битами.

Потенциальный код NRZI (Non Return to Zero Inverted)

Этот код удобен в тех случаях, когда использование третьего уровня сигнала весьма нежелательно, например в оптических кабелях, где устойчиво распознаются два состояния сигнала – свет и темнота. Код NRZI не имеет синхронизации. Это является самым большим его недостатком. Если тактовая частота приемника отличается от частоты передатчика, теряется синхронизация, биты преобразуются, данные теряются. Для синхронизации начала приема пакета используется стартовый служебный бит, например, единица. Наиболее известное применение кода NRZI – стандарт ATM155.

Метод биполярного кодирования с альтернативной инверсией ( Bipolar Alternate Mark Inversion, AMI)

В этом методе (рис 1, в) используются три уровня потенциала – отрицательный, нулевой и положительный. Для кодирования логической единицы используется нулевой потенциал, а логическая единица кодируется либо положительным, либо отрицательным потенциалом, при этом потенциал каждой новой единице противоположен потенциалу предыдущей.

Код AMI частично ликвидирует проблемы постоянной составляющей и отсутствия самосинхронизации, присущие коду NRZ. Это происходит при передаче длинных последовательностей единиц. В этих случаях сигнал на линиях представляет собой последовательность разнополярных импульсов с тем же спектром, что и кода NRZ, предающие чередующиеся нули и единицы, то есть без постоянной составляющей.

В целом, для различных комбинаций бит на линии использование кода AMI приводит к более узкому спектру сигнала, чем для кода NRZ, а значит, и к более высокой пропускной способности линии.

Биполярный импульсный код

Кроме потенциальных кодов в сетях используются и импульсные коды, когда данные представлены полным импульсом или же его частью – фронтом. Наиболее простым случаем такого подхода является биполярный импульсный код, в котором единица представлена импульсом одной полярности, а ноль – другой (рис. 1, г). Каждый импульс длится половину такта. Такой подход обладает отличным самосинхронизирующими свойствами, но постоянная составляющая может присутствовать, например, при передаче длинной последовательности единиц или нулей. Кроме того, спектр у него шире, чем у потенциальных кодов.

Манчестерский код (Манчестер II)

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 так же нет постоянной составляющей. Для передачи используется два уровня сигнала. Манчестерский код нашел применение в оптоволоконных и электропроводных сетях.

Код MLT-3

Код (е) трехуровневой передачи MLT-3 (Multi Level Transmission — 3) имеет много общего с кодом NRZ. Важнейшее отличие — три уровня сигнала. Единице соответствует переход с одного уровня сигнала на другой. Изменение уровня сигнала происходит последовательно с учетом предыдущего перехода. Максимальной частоте сигнала соответствует передача последовательности единиц. При передаче нулей сигнал не меняется. Информационные переходы фиксируются на границе битов. Один цикл сигнала вмещает четыре бита. Недостаток кода MLT-3, как и кода NRZ — отсутствие синхронизации. Эту проблему решают с помощью преобразования данных, которое исключает длинные последовательности нулей и возможность рассинхронизации.

Потенциальный код 2B1Q (PAM 5)

На рис 1, ж показан пятиуровневый код, в котором используется 5 уровней амплитуды и двухбитовое кодирование. Это код 2B1Q (или PAM 5), название которого отражает его суть – каждые два бита (2B) передаются за один такт сигналом, имеющем 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 методе 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 импульса 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 при его реализации мощность передатчика должна быть выше, чтобы четыре уровня четко различались приемником на фоне помех. Пятый уровень добавлен для создания избыточности кода, используемого для исправления ошибок. Это дает дополнительный резерв соотношения сигнал / шум 6 дБ.

Нет похожих постов...

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.

Стандарты открытых кабельных систем Стандарты открытых кабельных систем, механизм кодирования http://www.сайт/lan/standarti_otkritih_kabeljnih_sistem http://www.сайт/@@site-logo/logo.png

Стандарты открытых кабельных систем

Стандарты открытых кабельных систем, механизм кодирования

Основные понятия: методы кодирования, схема передачи, спектр сигнала, однополосный и двухполосный сигналы

Информационные системы локальных сетей иногда сравнивают с транспортной инфраструктурой. Кабели - это магистрали, разъемы - стыки дорог, сетевые карты и устройства - терминалы. Сетевые протоколы вызывают ассоциацию с правилами движения, которые к тому же определяют тип, конструкцию и характеристики транспортных средств.

Стандарты открытых кабельных систем, называемых также структурированными, определяют параметры и правила построения среды для передачи сигналов. Среда передачи - это электропроводные и оптоволоконные кабели, соединенные в каналы с помощью разъемов. При беспроводной связи передача сигналов осуществляется посредством радиоволн, в том числе, инфракрасных. Однако свободное пространство пока не рассматривается в качестве среды для локальных сетей.

Стандарты определяют частотный и динамический диапазоны элементов - кабелей, разъемов, линий и каналов.

Другая группа стандартов, разрабатываемая организациями стандартизации, в частности, Институтом инженеров электротехники и электроники (IEEE), и общественными организациями, например, ATM Forum и Gigabit Ethernet Alliance, определяет параметры физического уровня сетевых протоколов. К ним относятся тактовая частота, метод кодирования, схема передачи и спектр сигнала.

Открытая система обмена информацией OSI (Open System Interconnect), определяющая стандарты связи и передачи данных в любых сетях, разбивает все функции взаимодействия систем на семь уровней.

Нижний или физический уровень обеспечивает преобразование данных в электромагнитные сигналы, предназначенные для определенной среды передачи, и наоборот. Сигналы, передаваемые с физического уровня на второй или канальный уровень, не зависят от среды передачи. Сетевые протоколы, работающие на первом и втором уровнях, задают параметры сигналов, отправляемых по магистралям.

Некоторые аналогии, приводимые в статье, позволяют лучше понять взаимосвязь тактовой частоты, спектра сигнала и скорости передачи данных.

Если представить себе, что тактовая частота - это обороты двигателя автомобиля, то скорость передачи данных - это скорость движения. Преобразование одного в другое обеспечивается кодированием или коробкой передач.

Механизм кодирования

Цифровая передача данных требует выполнения нескольких обязательных операций:

синхронизация тактовой частоты передатчика и приемника;
преобразование последовательности битов в электрический сигнал;
уменьшение частоты спектра электрического сигнала с помощью фильтров;
передача урезанного спектра по каналу связи;
усиление сигнала и восстановление его формы приемником;
преобразование аналогвого сигнала в цифровой.

Рассмотрим взаимосвязь тактовой частоты и битовой последовательности. Битовый поток передается со скоростью, определяемой числом бит в единицу времени. Другими словами биты в секунду - это число дискретных изменений сигнала в единицу времени. Тактовая частота, измеряемая в герцах, это число синусоидальных изменений сигнала в единицу времени.

Данное очевидное соответствие породило ошибочное представление об адекватности значений герц и бит в секунду. На практике все сложнее. Скорость передачи данных, как правило, выше тактовой частоты. Для увеличения скорости передачи сигнал может идти параллельно по нескольким парам. Данные могут передаваться битами или байтами. Кодированный сигнал может иметь два, три, пять и более уровней. Некоторые методы кодирования сигналов требуют дополнительного кодирования данных или синхронизации, которые уменьшают скорость передачи информационных сигналов.

Как видно из таблицы, однозначного соответствия МГц и Мбит/с не существует.

Таблица 1. Соотношение между категорией канала, диапазоном частот и максимальной скоростью передачи данных

Каждый протокол требует определенную ширину спектра или, если хотите, ширину информационной магистрали. Схемы кодирования усложняют для того, чтобы эффективнее использовать информационные магистрали. Как и в аналогии с двигателем, совсем необязательно раскручивать его до максимальных оборотов, целесообразнее включить передачу.

Первая передача - коды RZ и манчестер-II

Код RZ

Информационный переход осуществляется в начале бита, возврат к нулевому уровню - в середине бита. Особенностью кода RZ является то, что в центре бита всегда есть переход (положительный или отрицательный). Следовательно, каждый бит обозначен. Приемник может выделить синхроимпульс (строб), имеющий частоту следования импульсов, из самого сигнала. Привязка производится к каждому биту, что обеспечивает синхронизацию приемника с передатчиком. Такие коды, несущие в себе строб, называются самосинхронизирующимися.

Недостаток кода RZ состоит в том, что он не дает выигрыша в скорости передачи данных. Для передачи со скоростью10 Мбит/с требуется частота несущей 10 МГц. Кроме того, для различения трех уровней необходимо лучшее соотношение сигнал / шум на входе в приемник, чем для двухуровневых кодов.

Наиболее часто код RZ используется в оптоволоконных сетях. При передаче света не существует положительных и отрицательных сигналов, поэтому используют три уровня мощности световых импульсов.

Код Манчестер-II

Код Манчестер-II или манчестерский код получил наибольшее распространение в локальных сетях. Он также относится к самосинхронизирующимся кодам, но в отличие от кода RZ имеет не три, а только два уровня, что обеспечивает лучшую помехозащищенность.

Частотный спектр сигнала при манчестерском кодировании включает только две несущие частоты. Для десятимегабитного протокола - это 10 МГц при передаче сигнала, состоящего из одних нулей или одних единиц, и 5 МГц - для сигнала с чередованием нулей и единиц. Поэтому с помощью полосовых фильтров можно легко отфильтровать все другие частоты.

Вторая передача - код NRZ

Код NRZ (Non Return to Zero) - без возврата к нулю - это простейший двухуровневый код. Нулю соответствует нижний уровень, единице - верхний. Информационные переходы происходят на границе битов. Вариант кода NRZI (Non Return to Zero Inverted) - соответствует обратной полярности.

Несомненное достоинство кода - простота. Сигнал не надо кодировать и декодировать.

Кроме того, скорость передачи данных вдвое превышает частоту. Наибольшая частота будет фиксироваться при чередовании единиц и нулей. При частоте 1 Гц обеспечивается передача двух битов. Для других комбинаций частота будет меньше. При передаче последовательности одинаковых битов частота изменения сигнала равна нулю.

Код NRZ (NRZI) не имеет синхронизации. Это является самым большим его недостатком. Если тактовая частота приемника отличается от частоты передатчика, теряется синхронизация, биты преобразуются, данные теряются.

Для синхронизации начала приема пакета используется стартовый служебный бит, например, единица. Наиболее известное применение кода NRZI - стандарт ATM155. Самый распространенный протокол RS232, применяемый для соединений через последовательный порт ПК, также использует код NRZ. Передача информации ведется байтами по 8 бит, сопровождаемыми стартовыми и стоповыми битами.

Четвртая передача - код MLT-3

Код трехуровневой передачи MLT-3 (Multi Level Transmission - 3) имеет много общего с кодом NRZ. Важнейшее отличие - три уровня сигнала.

Единице соответствует переход с одного уровня сигнала на другой. Изменение уровня сигнала происходит последовательно с учетом предыдущего перехода. Максимальной частоте сигнала соответствует передача последовательности единиц. При передаче нулей сигнал не меняется. Информационные переходы фиксируются на границе битов. Один цикл сигнала вмещает четыре бита.

Недостаток кода MLT-3, как и кода NRZ - отсутствие синхронизации. Эту проблему решают с помощью преобразования данных, которое исключает длинные последовательности нулей и возможность рассинхронизации.

Редуктор - кодирование данных 4B5B

Протоколы, использующие код NRZ, чаще всего дополняют кодированием данных 4B5B. В отличие от кодирования сигналов, которое использует тактовую частоту и обеспечивает переход от импульсов к битам и наоборот, кодирование данных преобразует одну последовательность битов в другую.

В коде 4B5B используется пяти-битовая основа для передачи четырех-битовых информационных сигналов. Пяти-битовая схема дает 32 (два в пятой степени) двухразрядных буквенно-цифровых символа, имеющих значение в десятичном коде от 00 до 31. Для данных отводится четыре бита или 16 (два в четвертой степени) символов.

Четырех-битовый информационный сигнал перекодируется в пяти-битовый сигнал в кодере передатчика. Преобразованный сигнал имеет 16 значений для передачи информации и 16 избыточных значений. В декодере приемника пять битов расшифровываются как информационные и служебные сигналы. Для служебных сигналов отведены девять символов, семь символов - исключены.

Исключены комбинации, имеющие более трех нулей (01 - 00001, 02 - 00010, 03 - 00011, 08 - 01000, 16 - 10000). Такие сигналы интерпретируются символом V и командой приемника VIOLATION - сбой. Команда означает наличие ошибки из-за высокого уровня помех или сбоя передатчика. Единственная комбинация из пяти нулей (00 - 00000) относится к служебным сигналам, означает символ Q и имеет статус QUIET - отсутствие сигнала в линии.

Кодирование данных решает две задачи - синхронизации и улучшения помехоустойчивости. Синхронизация происходит за счет исключения последовательности более трех нулей. Высокая помехоустойчивость достигается контролем принимаемых данных на пяти-битовом интервале.

Цена кодирования данных - снижение скорости передачи полезной информации. В результате добавления одного избыточного бита на четыре информационных, эффективность использования полосы частот в протоколах с кодом MLT-3 и кодированием данных 4B5B уменьшается соответственно на 25%.

При совместном использовании кодирования сигналов MLT-3 и данных 4В5В четвертая передача работает фактически как третья - 3 бита информации на 1 герц несущей частоты сигнала. Такая схема используется в протоколе TP-PMD.

Пятая передача - код PAM 5

Рассмотренные выше схемы кодирования сигналов были битовыми. При битовом кодировании каждому биту соответствует значение сигнала, определяемое логикой протокола.

При байтовом кодировании уровень сигнала задают два бита и более.

В пятиуровневом коде PAM 5используется 5 уровней амплитуды и двухбитовое кодирование. Для каждой комбинации задается уровень напряжения. При двухбитовом кодировании для передачи информации необходимо четыре уровня (два во второй степени - 00, 01, 10, 11). Передача двух битов одновременно обеспечивает уменьшение в два раза частоты изменения сигнала.

Пятый уровень добавлен для создания избыточности кода, используемого для исправления ошибок. Это дает дополнительный резерв соотношения сигнал / шум 6 дБ.

Код PAM 5 используется в протоколе 1000 Base T Gigabit Ethernet (см. Схема передачи Gigabit Ethernet). Данный протокол обеспечивает передачу данных со скоростью 1000 Мбит/с при ширине спектра сигнала всего 125 МГц.

Как это достигается? Данные передаются по всем четырем парам одновременно. Следовательно, каждая пара должна обеспечить скорость 250 Мбит/с. Максимальная частота спектра несущей при передаче двухбитовых символов кода PAM 5 составляет 62,5 МГц. С учетом передачи первой гармоники протоколу 1000 Base T требуется полоса частот до 125 МГц. Но о несущей, гармониках и полосе частот следует поговорить отдельно.

Ширина магистрали - требуемая полоса частот

Скорость движения зависит не только от возможностей автомобиля, но и от качества магистрали. То же самое справедливо и для передачи данных. Рассмотрим возможности информационных магистралей.

Кодирование сигналов - это способ преобразования тактовой частоты в скорость передачи данных. С какой целью выполняют преобразование? Для того, чтобы увеличить скорость без изменения частотного диапазона канала связи. Кодирование требует использования более сложной приемо-передающей аппаратуры. Это минус. Зато при переходе к более скоростным протоколам можно использовать те же кабели. А это уже большой плюс.

Например, протокол Fast Ethernet 100 Base T4 обеспечивает работу сети со скоростью 100 Мбит/с на кабелях категории 3 (16 МГц). Gigabit Ethernet 1000 Base T реализован таким образом, чтобы на базе каналов категории 5 (100 Мгц), имеющий некоторый резерв, передавать 1000 Мбит/с.

Ширина спектра сигнала

Сигнал, имеющий синусоидальную форму, называется гармоническим. Его параметры определяются частотой и амплитудой. Чем больше форма сигнала отличается от синусоиды, тем больше гармонических составляющих он несет. Частоты гармоник кратны частоте несущей. Стандарты электропитания, например, требуют оценки качества напряжения сигнала вплоть до тридцатой гармоники.

Диапазон частот сложного сигнала называется спектральной шириной сигнала. Он включает основную составляющую, которая определяет несущую, и гармонические составляющие, которые задают форму импульсов.

Восстановление формы импульсов производится на аппаратном уровне, поэтому гармонические составляющие убирают с помощью фильтров.

Спектральная ширина сигнала зависит от тактовой частоты, метода кодирования и характеристик фильтра передатчика.

Рисунок 6 иллюстрирует, как метод кодирования позволяет уменьшить частоту несущей. Для трех методов кодирования приведены ситуации, требующие максимальную частоту несущей. Один герц несущей передает один бит (1) при манчестерском кодировании, два бита (01) кода NRZ и четыре бита (1111) кода MLT-3. Фактор кодирования (передача) составляет соответственно один, два и четыре.

Другие комбинации битов требуют меньшей частоты. Например, при чередовании нулей и единиц частота несущей кода MLT-3 уменьшается еще в два раза, длительная последовательность нулей уменьшает частоту несущей до нуля.

Спектральную ширину сигнала не следует путать с тактовой частотой. Тактовая частота - это метроном, задающий темп мелодии. На рисунке 6 тактовой частоте соответствует скорость чередования битов. Спектральная ширина сигнала в данной аналогии это огибающая сигнала при условии, что она позволяет восстановить исходный импульсный сигнал.

В аналоговой передаче спектральная ширина - это мелодия, имеющая гораздо более широкий спектр. Если попытаться передать мелодию по телефону, придется пожертвовать спектром. Линия связи, имеющая узкую полосу пропускания, “обрежет” верхние гармоники. При этом, качество звучания мелодии на выходе узкополосного канала связи ухудшится.

При цифровой передаче для восстановления исходного сигнала требуется меньше гармоник, чем для аналогового. Технология передачи и приема цифровых сигналов позволяет восстановить исходный сигнал по несущей спектра. Однако для уменьшения коэффициента ошибок необходимо присутствие первой гармоники, что удваивает ширину спектра или частотный диапазон.

Однополосный и двухполосный сигналы

Сигнал, который не имеет спектральной энергии нулевой частоты, является двухполосным. У двухполосного ширина первой гармоники в два раза больше, чем у однополосного. Спектр сигнала после манчестерского кодирования является двухполосным. Кодирование методами NRZ, MLT-3 и PAM 5 дает однополосный сигнал.

Как было отмечено выше, код Манчестер-II дает две несущие частоты: 5 МГц и 10 МГц.

Частота 10 МГц передается с одной гармоникой (несущая и гармоники обозначены на рис. 7 красным цветом). Частота 5 МГЦ (обозначенная зеленым цветом) имеет три гармоники в верхнем диапазоне. Остальные гармоники обрезаются фильтрами.

Итак, при передаче однополосного сигнала, кодированного методом NRZ, со скоростью10 Мбит/с, требуется 10 МГц. Для двухполосного сигнала, который создается манчестерским десятимегабитным протоколом необходимо 20 МГц полосы пропускания.

Для спектра несущей протокола ATM 155, в котором реализован метод кодирования сигналов NRZ, а тактовая частота составляет 155,52 МГц, требуется полоса частот 77,76 МГц. С учетом одной несущей полоса сигнала составляет 155,52 МГц.

Стандартный канал категории 5 максимальной длины обеспечивает полосу 100 Мгц с запасом сигнал / шум 3,1 дБ. Нулевой запас превышения мощности сигнала на шумом при этом будет на частоте 115 МГц. Таким образом, анализ спектра позволяет сделать вывод о недостаточной ширине информационной магистрали.

Кроме ширины магистрали качество полотна зависит от неровностей. Применительно к кабельным каналам это отношение сигнал / шум, которое зависит в первую очередь от качества стыков - разъемных соединений. Волновая природа шумов и несоответствие категории 5 требованиям протоколов класса D подробно освещается в статье Дефицит категории 5.

Выводы

Методы кодирования и сложные схемы, использующие все витые пары, обеспечивают увеличение скоростей передачи данных без пропорционального увеличения диапазона частот среды передачи или ширины информационных магистралей.

Анализ методов кодирования позволяет сделать вывод о том, что системы категории 5 имеют дефицит ресурсов даже для приложений своего класса. Современные информационные магистрали требуют более тщательной подготовки для перехода от десятимегабитных приложений к высокоскоростным протоколам.

Извлечение ссылок на картинки.

Операции с документом