Кодирование на двух нижних каналах характеризует метод представления информации сигналами, которые распространяются по среде транспортировки. Кодирование можно рассматривать как двухступенчатое. И ясно, что на принимающей стороне реализуется симметричное декодирование.
Логическое кодирование данных изменяет поток бит созданного кадра МАС-уровня в последовательность символов, которые подлежат физическому кодированию для транспортировки по каналу связи. Для логического кодирования используют разные схемы:
- 4B/5B — каждые 4 бита входного потока кодируются 5-битным символом (табл 1.1). Получается двукратная избыточность, так как 2 4 = 16 входных комбинаций показываются символами из 2 5 = 32. Расходы по количеству битовых интервалов составляют: (5-4)/4 = 1/4 (25%). Такая избыточность разрешает определить ряд служебных символов, которые служат для синхронизации. Применяется в 100BaseFX/TX, FDDI
- 8B/10B — аналогичная схема (8 бит кодируются 10-битным символом) но уже избыточность равна 4 раза (256 входных в 1024 выходных).
- 5B/6B — 5 бит входного потока кодируются 6-битными символами. Применяется в 100VG-AnyLAN
- 8B/6T — 8 бит входного потока кодируются шестью троичными (T = ternary) цифрами (-,0,+). К примеру: 00h: +-00+-; 01h: 0+-+=0; Код имеет избыточность 3 6 /2 8 = 729/256 = 2,85. Скорость транспортировки символов в линию является ниже битовой скорости и их поступления на кодирования. Применяется в 100BaseT4.
- Вставка бит — такая схема работает на исключение недопустимых последовательностей бит. Ее работу объясним на реализации в протоколе HDLC. Тут входной поток смотрится как непрерывная последовательность бит, для которой цепочка из более чем пяти смежных 1 анализируется как служебный сигнал (пример: 01111110 является флагом-разделителем кадра). Если в транслируемом потоке встречается непрерывная последовательность из 1 , то после каждой пятой в выходной поток передатчик вставляет 0 . Приемник анализирует входящую цепочку, и если после цепочки 011111 он видит 0 , то он его отбрасывает и последовательность 011111 присоединяет к остальному выходному потоку данных. Если принят бит 1 , то последовательность 011111 смотрится как служебный символ. Такая техника решает две задачи — исключать длинные монотонные последовательности, которые неудобные для самосинхронизации физического кодирования и разрешает опознание границ кадра и особых состояний в непрерывном битовом потоке.
Таблица 1 — Кодирование 4В/5В
| Входной символ | Выходной символ |
|---|---|
| 0000 (0) | 11110 |
| 0001 (1) | 01001 |
| 0010 (2) | 10100 |
| 0011 (3) | 10101 |
| 0100 (4) | 01010 |
| 0101 (5) | 01011 |
| 0110 (6) | 01110 |
| 0111 (7) | 01111 |
| 1000 (8) | 10010 |
| 1001 (9) | 10011 |
| 1010 (A) | 10110 |
| 1011 (B) | 10111 |
| 1100 (C) | 11010 |
| 1101 (D) | 11011 |
| 1110 (E) | 11100 |
| 1111 (F) | 11101 |
Избыточность логического кодирования разрешает облегчить задачи физического кодирования — исключить неудобные битовые последовательности, улучшить спектральные характеристики физического сигнала и др. Физическое/сигнальное кодирование пишет правила представления дискретных символов, результат логического кодирования в результат физические сигналы линии. Физические сигналы могут иметь непрерывную (аналоговую) форму — бесконечное число значений, из которого выбирают допустимое распознаваемое множество. На уровне физических сигналов вместо битовой скорости (бит/с) используют понятие скорость изменения сигнала в линии которая измеряется в бодах (baud). Под таким определением определяют число изменений различных состояний линии за единицу времени. На физическом уровне проходит синхронизация приемника и передатчика. Внешнюю синхронизацию не используют из-за дороговизны реализации еще одного канала. Много схем физического кодирования являются самосинхронизирующимися — они разрешают выделить синхросигнал из принимаемой последовательности состояний канала.
Скремблирование на физическом уровне разрешает подавить очень сильные спектральные характеристики сигнала, размазывая их по некоторой полосе спектра. Очень сильные помеха искажают соседние каналы передачи. При разговоре о физическом кодирировании, возможное использование следующие термины:
- Транзитное кодирование — информативным есть переход из одного состояния в другое
- Потенциальное кодирование — информативным есть уровень сигнала в конкретные моменты времени
- Полярное — сигнал одной полярности реализуется для представления одного значения, сигнал другой полярности для — другого. При оптоволоконное транспортировке вместо полярности используют амплитуды импульса
- Униполярное — сигнал одной полярности реализуется для представления одного значения, нулевой сигнал — для другого
- Биполярное — используется отрицательное, положительное и нулевое значения для представления трех состояний
- Двухфазное — в каждом битовом интервале присутствует переход из одного состояния в другое, что используется для выделения синхросигнала.
Популярные схемы кодирования, которые применяются в локальных сетях
AMI/ABP
AMI — Alternate Mark Inversion или же ABP — Alternate bipolare, биполярная схема, которая использует значения +V, 0V и -V. Все нулевые биты имеют значения 0V, единичные — чередующимися значениями +V, -V (рис.1). Применяется в DSx (DS1 — DS4), ISDN. Такая схема не есть полностью самосинхронизирующейся — длинная цепочка нулей приведет к потере синхронизации.
Рисунок — 1
MAMI — Modified Alternate Mark Inversion, или же ASI — модифицированная схема AMI, импульсами чередующейся полярности кодируется 0, а 1 — нулевым потенциалом. Применяется в ISDN (S/T — интерфейсы).
B8ZS — Bipolar with 8 Zero Substitution, схема аналогичная AMI, но для синхронизации исключает цепочки 8 и более нулей (за счет вставки бит).
HDB3 — High Density Bipolar 3, схема аналогичная AMI, но не допускает передачи цепочки более трех нулей. Вместо последовательности из четырех нулей вставляется один из четырех биполярных кодов. (Рис.2)
Рисунок — 2
Манчестерское кодирование
Manchester encoding — двухфазное полярное/униполярное самосинхронизирующееся кодирование. Текущий бит узнается по направлению смены состояния в середине битового интервала: от -V к +V: 1. От +V к -V: 0. Переход в начале интервала может и не быть. Применяется в Ethernet. (В начальных версиях — униполярное). (рис.3)
Рисунок — 3
Differential manchester encoding — двухфазное полярное/униполярное самосинхронизирующиеся код. Текущий бит узнается по наличию перехода в начале битового интервала (рис. 4.1), например 0 — есть переход (Вертикальный фрагмент), 1 — нет перехода (горизонтальный фрагмент). Можно и наоборот определять 0 и 1.В середине битового интервала переход есть всегда. Он нужен для синхронизации. В Token Ring применяется измененная версия такой схемы, где кроме бит 0 и 1 определенны также два бита j и k (Рис. 4.2). Здесь нет переходов в середине интервала. Бит К имеет переход в начале интервала, а j — нет.
Рисунок — 4.1 и 4.2
Трехуровневое кодирование со скремблированием который не самосинхронизуется. Используются уровни (+V, 0, -V) постоянные в линии каждого битового интервала. При передаче 0 значения не меняются, при передаче 1 — меняются на соседние по цепочке +V, 0, -V, 0, +V и тд. (рис. 5). Такая схема является усложнонным вариантом NRZI. Применяется в FDDI и 100BaseTX.
Рисунок — 5
NRZ и NRZI
NRZ — Non-return to zero (без возврата к нулю), биполярная нетранзиктивная схема (состояния меняются на границе), которая имеет 2 варианта. Первый вариант это недифференциальное NRZ (используется в RS-232) состояние напрямую отражает значение бита (рис. 6.а). В другом варианте — дифференциальном, NRZ состояние меняется в начале битового интервала для 1 и не меняется для 0. (рис.6.Б). Привязки 1 и 0 к определенному состоянию нету.
NRZI — Non-return to zero Inverted, измененная схема NRZ (рис. 6.в). Тут состояния изменяются на противоположные в начале битового интервала 0, и не меняются при передаче 1. Возможна и обратная схема представления. Используются в FDDI, 100BaseFX.
Рисунок — 6-а,б,в
RZ — Return to zero (с возвратом к нулю), биполярная транзитивная самосинхронизирующаяся схема. Состояние в определенный момент битового интервала всегда возвращается к нулю. Имеет дифференциальный/недифференциальный варианты. В дифференциальном привязки 1 и 0 к состоянию нету. (рис. 7.а).
Рисунок — 7-а,б
FM 0 — Frequency Modulation 0 (частотная модуляция), самосинхронизирующийся полярный код. Меняется на противоположное на границе каждого битового интервала. При передаче 1 в течение битового интервала состояние неизменное. При передаче 0, в середине битового интервала состояние меняется на противоположное. (рис. 8). Используется в LocalTalk.
Рисунок — 8
PAM 5 — Pulse Amplitude Modulation, пятиуровневое биполярное кодирование, где пара бит в зависимости от предыстории оказывается одним из 5 уровней потенциала. Нужен неширокая полоса частот (вдвое ниже битовой скорости). Используется в 1000BaseT.
Здесь пара бит оказывается одним четверичным символом (Quater-nary symbol), где каждому соответствует один из 4 уровней сигнала. В табллице показано представление символов в сети ISDN.
4B3T — блок из 4 бит (16 состояний) кодируется тремя троичными символами (27 символов). Из множества возможных методов изменений рассмотрим MMS43, который используется в интерфейсе BRI сетей ISDN (таблица). Тут применяются специальные методы для исключения постоянной составляющей напряжения в линии, в следствии чего кодирования ряда комбинаций зависит от предыстории — состояния, где находится кодер. Пример: последовательность бит 1100 1101 будет представлена как: + + + — 0 -.
| Двоичный код | S1 | Переход | S2 | Переход | S3 | Переход | S4 | Переход |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0001 | 0 — + | S1 | 0 — + | S2 | 0 — + | S3 | 0 — + | S4 |
| 0111 | — 0 + | S1 | — 0 + | S2 | — 0 + | S3 | — 0 + | S4 |
| 0100 | — + 0 | S1 | — + 0 | S2 | — + 0 | S3 | — + 0 | S4 |
| 0010 | + — 0 | S1 | + — 0 | S2 | + — 0 | S3 | + — 0 | S4 |
| 1011 | + 0 — | S1 | + 0 — | S2 | + 0 — | S3 | + 0 — | S4 |
| 1110 | 0 + — | S1 | 0 + — | S2 | 0 + — | S3 | 0 + — | S4 |
| 1001 | + — + | S2 | + — + | S3 | + — + | S4 | — — — | S1 |
| 0011 | 0 0 + | S2 | 0 0 + | S3 | 0 0 + | S4 | — — 0 | S2 |
| 1101 | 0 + 0 | S2 | 0 + 0 | S3 | 0 + 0 | S4 | — 0 — | S2 |
| 1000 | + 0 0 | S2 | + 0 0 | S3 | + 0 0 | S4 | 0 — — | S2 |
| 0110 | — + + | S2 | — + + | S3 | — — + | S2 | — — + | S3 |
| 1010 | + + — | S2 | + + — | S3 | + — — | S2 | + — — | S3 |
| 1111 | + + 0 | S3 | 0 0 — | S1 | 0 0 — | S1 | 0 0 — | S3 |
| 0000 | + 0 + | S3 | 0 — 0 | S1 | 0 — 0 | S2 | 0 — 0 | S3 |
| 0101 | 0 + + | S3 | — 0 0 | S1 | — 0 0 | S2 | — 0 0 | S3 |
| 1100 | + + + | S4 | — + — | S1 | — + — | S2 | — + — | S3 |
Итог
Схемы, которые не являются самосинхронизирующими, вместе с логическим кодированием и определением фиксированной длительности битовых интервалов разрешают достигать синхронизации. Старт-бит и стоп-бит служат для синхронизации, а контрольный бит вводит избыточность для повышения достоверности приема.
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.
В некоторых случаях физическое кодирование решает проблемы:
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 низкого 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.
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
NRZ (Non Return to Zero)
NRZ (Non Return to Zero, с англ. - «без возвращения к нулю») - двухуровневый код. Логическому нулю соответствует нижний уровень, логической единице - верхний уровень. Информационные переходы происходят на границе значащих интервалов (значащий момент) .
Варианты представления кода NRZ
Различают несколько вариантов представления кода:
- Униполярный код - логическая единица представлена верхним потенциалом, логический нуль представлен нулевым потенциалом;
- Биполярный код - логическая единица представлена положительным потенциалом, логический нуль представлен отрицательным потенциалом.
Достоинства NRZ кода
- Простая реализация;
- Высокая скорость передачи данных;
- Для синхронизации передачи байта используется старт-стоповый бит.
Недостатки NRZ кода
NRZI (Non Return to Zero Invertive) - потенциальный код с инверсией при единице, код формируется путем инверсного состояния при поступлении на вход кодирующего устройства логической единицы, при поступлении логического нуля состояние потенциала не меняется. Этот метод является модифицированным методом Non Return to Zero (NRZ) .
Поскольку код не защищен от долгих последовательностей логических нулей или единиц, то это может привести к проблемам синхронизации. Поэтому перед передачей, заданную последовательность битов рекомендуется предварительно закодировать кодом предусматривающим скремблирование (скремблер предназначен для придания свойств случайности передаваемой последовательности данных с целью облегчения выделения тактовой частоты приемником). Используется в Fast Ethernet 100Base-FX и 100Base-T4.
Достоинства NRZI кода
- Простота реализации;
- Метод обладает хорошей распознаваемостью ошибок (благодаря наличию двух резко отличающихся потенциалов);
- Спектр сигнала расположен в низкочастотной области относительно частоты следования значащих интервалов.
Недостатки NRZI кода
- 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.
Манчестерское кодирование
|
Манчестерское кодирование |
При манчестерском кодировании каждый такт делится на две части. Информация кодируется перепадами потенциала в середине каждого такта. Различают два варианта манчестерского кодирования:
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 самосинхронизирующими свойствами. Обязательное наличие перехода в центре бита позволяет легко выделить синхросигнал. Допустимое расхождение частот передачи - до 25 % (это означает, что код Манчестер-2 - самый устойчивый к рассинхронизации, он самосинхронизуется в каждом бите передаваемой информации).
Плотность кода 1 бит/герц. В спектре сигнала, закодированного Манчестером-2, присутствует 2 частоты - частота передачи и половинная частота передачи (она образуется когда рядом стоят 0 и 1 или 1 и 0. При передаче гипотетической последовательности одних 0 или 1 в спектре будет присутствовать только частота передачи).
Достоинства манчестерского кодирования
- Нет постоянной составляющей (смена сигнала происходит на каждом такте передачи данных)
- Полоса частот в сравнении с NRZ кодированием - основная гармоника в при передаче последовательности единиц или нулей имеет частоту N Гц, а при постоянной последовательности (при передаче чередования единиц и нулей) - N/2 Гц.
- Является самосинхронизирующимся , то есть не требует специальной кодировки синхроимпульса, который бы занимал полосу данных и поэтому является самым плотным кодом на единицу частоты.
- Возможность обеспечить гальваническую развязку с помощью трансформатора, так как у него отсутствует постоянная составляющая
- Вторым важным преимуществом является отсутствие необходимости в синхронизующих битах (как в NRZ-коде) и, вследствие этого, данные могут передаваться подряд сколь угодно долго, из-за чего плотность данных в общем потоке кода приближается к 100 % (например для кода NRZ 1-8-0 она равна 80 %).
Код Миллера
Код Миллера (иногда называют трехчастотным) - является двуполярным двухуровневым кодом, в котором каждый информационный бит кодируется комбинацией из двух битов {00, 01,10,11}, а переходы из одного состояния в другое описываются графом . При непрерывном поступлении логических нулей или единиц на кодирующее устройство переключение полярности происходит с интервалом T, а переход от передачи единиц к передаче нулей с интервалом 1,5T. При поступлении на кодирующее устройство последовательности 101 возникает интервал 2Т, по этой причине данный метод кодирования называют трехчастотным .
Преимущества
- Нет избыточности в коде (нет специальных комбинаций для синхронизации);
- Способность к самосинхронизации (в самом коде заложен принцип по которому гарантированно можно синхронизироваться);
- Полоса пропускания кода Миллера вдвое меньше полосы пропускания в сравнении с манчестерским кодированием.
Недостатки
- Присутствие постоянной составляющей, при этом достаточно велик и низкочастотный компонент, что преодолено в модифицированном коде Миллера в квадрате.
Системы с трёхуровневым кодированием
RZ (return to zero)
AMI -код использует следующие представления битов:
- биты 0 представляются нулевым напряжением (0 В)
- биты 1 представляются поочерёдно значениями -U или +U (В)
HDB3 (биполярный код с высокой плотностью третьего порядка)
Код HDB3 (биполярный код с высокой плотностью третьего порядка ) исправляет любые 4 подряд идущих нуля в исходной последовательности. Правило формирования кода следующее: каждые 4 нуля заменяются 4 символами в которых имеется хотя бы один сигнал V. Для подавления постоянной составляющей полярность сигнала V чередуется при последовательных заменах. Для замены используются два способа:
- Если перед заменой исходный код содержал нечётное число единиц то используется последовательность 000V
- Если перед заменой исходный код содержал чётное число единиц то используется последовательность 100V
V-сигнал единицы запрещённого для данного сигнала полярности
Тоже что и AMI , только кодирование последовательностей из четырех нулей заменяется на код -V/0, 0, 0, -V или +V/0, 0, 0, +V - в зависимости от предыдущей фазы сигнала и количества единиц в сигнале, предшествующем данной последовательности нулей.
MLT-3
|
Кодирование MLT-3 |
MLT-3 (Multi Level Transmission - 3) (англ. многоуровневая передача) - метод кодирования, использующий три уровня сигнала. Метод основывается на циклическом переключении уровней -U, 0, +U. Единице соответствует переход с одного уровня сигнала на следующий. Так же как и в методе NRZI при передаче логического нуля сигнал не меняется. Метод разработан Cisco Systems для использования в сетях FDDI на основе медных проводов, известных как CDDI. Также используется в Fast Ethernet 100BASE-TX . 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.
Преимущества MLT-3 кода
- В случае наиболее частого переключения уровней (длинная последовательность единиц) для завершения цикла необходимо четыре перехода. Это позволяет вчетверо снизить частоту несущей относительно тактовой частоты, что делает MLT-3 удобным методом при использовании медных проводов в качестве среды передачи.
- 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 выходе |
Выходной бит |
|---|---|---|
| 0 | + | − |
| 0 | ||
| − | 0 | |
| 1 | + | |
| 0 | + | |
| − |
4B3T
4B3T (4 Binary 3 Ternary, когда 4 двоичных символа передаются с помощью 3 троичных символов) - cигнал на выходе кодирующего устройства, согласно коду 4B3T, является трехуровневым, то есть на выходе кодирующего устройства формируется сигнал с тремя потенциальными уровнями. Код формируется, например, согласно таблице кодирования MMS43 . Таблица кодирования:
| 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:
| Ternary | Binary | Ternary | Binary | Ternary | Binary | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 0 0 | н/д | − 0 0 | 0101 | + − − | 1010 | ||
| + 0 + | 0000 | − + + | 0110 | + 0 − | 1011 | ||
| 0 − 0 | 0000 | − − + | 0110 | + + + | 1100 | ||
| 0 − + | 0001 | − 0 + | 0111 | − + − | 1100 | ||
| + − 0 | 0010 | + 0 0 | 1000 | 0 + 0 | 1101 | ||
| 0 0 + | 0011 | 0 − − | 1000 | − 0 − | 1101 | ||
| − − 0 | 0011 | + − + | 1001 | 0 + − | 1110 | ||
| − + 0 | 0100 | − − − | 1001 | + + 0 | 1111 | ||
| 0 + + | 0101 | + + − | 1010 | 0 0 − | 1111 |
Системы с четырёхуровневым кодированием
2B1Q (Потенциальный код 2B1Q)
Достоинство метода 2B1Q
- Сигнальная скорость у этого метода в два раза ниже, чем у кодов NRZ и AMI, а спектр сигнала в два раза уже. Следовательно с помощью 2B1Q-кода можно по одной и той же линии передавать данные в два раза быстрее.
Недостатки метода 2B1Q
- Реализация этого метода требует более мощного передатчика и более сложного приемника, который должен различать четыре уровня.
2. При узкополосной передаче используется двуполярный дискретный сигнал. При этом кодирование в сетевом адаптере передающей РС цифровых данных в цифровой сигнал выполняется напрямую.
Наиболее простым и часто используемым является кодирование методом без возврата к нулю (NRZ – Non Return to Zero) , в котором бит «1» представляется положительным напряжением (H – высокий уровень), а бит «0» – отрицательным напряжением (L – низкий уровень). Т. е. сигнал всегда выше или ниже нулевого напряжения, откуда и название метода. Иллюстрация изложенных методов кодирования сигналов приведена на рисунке 5.22.
Как при передаче аналоговых, так и цифровых сигналов, если следующие друг за другом биты ровны (оба «0» или оба «1»), то трудно сказать, когда кончается один и начинается другой. Для решения этой задачи приемник и передатчик надо синхронизировать, т. е. одинаково отсчитывать интервалы времени.
Это можно выполнить либо введя дополнительную линию для передачи синхроимпульсов (что не всегда возможно, да и накладно) , либо использовать специальные методы передачи данных: асинхронный или автоподстройки.
Рисунок 5.22 – Варианты кодирования сигналов.
Методы передачи данных по сетям
При низких скоростях передачи сигналов используется метод асинхронной передачи, при больших скоростях эффективнее использовать метод автоподстройки. Как передатчик, так и приемник снабжены генераторами тактовых импульсов, работающими на одной частоте. Однако невозможно, чтобы они работали абсолютно синхронно, поэтому их необходимо периодически подстраивать. Аналогично обыкновенным часам, которые необходимо периодически корректировать.
При асинхронной передаче генераторы синхронизируются в начале передачи каждого пакета (или байта) данных и предполагается, что за это время не будет рассогласования генераторов, которые бы вызвали ошибки в передаче. При этом считается, что все пакеты одной длины (например, байт). Синхронизация тактового генератора приемника достигается тем, что:
· перед каждым пакетом (байтом) посылается дополнительный «старт-бит», который всегда равен «0»;
· в конце пакета посылается еще один дополнительный «стоп-бит», который всегда равен «1».
Если данные не передаются, линия связи находится в состоянии «1» (состояние незанятости). Начало передачи вызывает переход от «1» к «0», что означает начало «старт-бита». Этот переход используется для синхронизации генератора приемника. Поясним этот процесс временной диаграммой (рисунок 5.23):
Рисунок 5.23 – Асинхронная передача
При передаче с автоподстройкой – используется метод Манчестерского кодирования, при котором:
· тактовый генератор приемника синхронизируется при передаче каждого бита;
· следовательно, можно посылать пакеты любой длины .
Синхронизация сигнала данных достигается обеспечением перехода от «H»-уровня к «L»-уровню или наоборот, в середине каждого бита данных (рисунок 5.24). Эти переходы служат для синхронизации тактового генератора приемника. Биты данных кодируются: «0» – при переходе «L» → «H» и «1» – при переходе «H» → «L»
Рисунок 5.24 – Передача с автоподстройкой
Если информация не передается, в линии данных нет никаких переходов и тактовые генераторы передатчика и приемника рассогласованы.
При этом виде кодирования переходы происходят не только в середине каждого бита данных, но и между битами, когда два последовательных бита имеют одно и то же значение.
После простоя линии необходима предварительная синхронизация генератора, которая достигается посылкой фиксированной последовательности битов (преамбула и биты готовности).
Например, можно использовать преамбулу из восьми битов: 11111110, где первые 7 битов используются для начальной синхронизации, а последний – для сообщения приемнику, что преамбула окончилась, т. е. далее пойдут биты данных.
Лекция 17
Тема 5.3 Принципы функционирования локальных вычислительных сетей
План лекции
– Основные компоненты ЛВС
– Типы ЛВС
– Одноранговые сети
– Сети на основе сервера
– Комбинированные сети
– Аппаратное обеспечение
– Понятие топологии сети и базовые топологии:
топология типа «шина»
топология типа «звезда»
топология типа «кольцо»
комбинированные топологии
– Сравнительные характеристики топологий
– Методы доступа к физической среде передачи
Основная часть лекции
Основные компоненты ЛВС
ЛВС на базе ПК получили в настоящее время широкое распространение из-за небольшой сложности и невысокой стоимости. Они используются при автоматизации промышленности, банковской деятельности, а также для создания распределенных, управляющих и информационно-справочных систем. ЛВС имеют модульную организацию.
серверы – это аппаратно-программные комплексы, которые исполняют функции управления распределением сетевых ресурсов общего доступа;
– рабочие станции – это компьютеры, осуществляющие доступ к сетевым ресурсам, предоставляемым сервером;
– физическая среда передачи данных (сетевой кабель) – это коаксиальные и оптоволоконные кабели, витые пары проводов, а также беспроводные каналы связи (инфракрасное излучение, лазеры, радиопередача).
Типы ЛВС
Выделяется два основных типа ЛВС: одноранговые (peer-to-peer) ЛВС и ЛВС на основе сервера (server based). Различия между ними имеют принципиальное значение, т. к. определяют разные возможности этих сетей.
Выбор типа ЛВС зависит от:
· размеров предприятия;
· необходимого уровня безопасности;
· объема сетевого трафика;
· финансовых затрат;
· уровня доступности сетевой административной поддержки.
При этом в задачи сетевого администрирования обычно входит:
· управление работой пользователей и защитой данных;
· обеспечение доступа к ресурсам;
· поддержка приложений и данных;
· установка и модернизация прикладного ПО.
Одноранговые сети
В этих сетях все компьютеры равноправны: нет иерархии среди них; нет выделенного сервера. Как правило, каждый ПК функционирует и как рабочая станция (РС), и как сервер, т. е. нет ПК ответственного за
Рисунок 5.25 – Компоненты ЛВС
администрирование всей сети (рисунок 5.26). Все пользователи решают сами, какие данные и ресурсы (каталоги, принтеры, факс-модемы) на своем компьютере сделать общедоступными по сети
Рабочая группа – это небольшой коллектив, объединенный общей целью и интересами. Поэтому в одноранговых сетях чаще всего не более 10 компьютеров. Эти сети относительно просты. Т. к. каждый ПК является одновременно и РС, и сервером. Нет необходимости в мощном центральном сервере или в других компонентах, обязательных для более сложных сетей.
Одноранговые сети обычно дешевле сетей на основе сервера, но требуют более мощных, а стало быть и более дорогих, ПК. Требование к производительности и к уровню защиты для сетевого ПО в них также значительно ниже.
Рисунок 5.26 – Одноранговая сеть
В такие операционные системы, как: MS Widows NT for Workstation; MS Widows 95/98, Widows 2000 встроена поддержка одноранговых сетей. Поэтому, чтобы установить одноранговую сеть, дополнительного ПО не требуется, а для объединения компьютеров применяется простая кабельная система. Одноранговая сеть вполне подходит там, где:
· количество пользователей не превышает 10-15 человек;
· пользователи расположены компактно;
· вопросы защиты данных не критичны;
· в обозримом будущем не ожидается расширения фирмы, и, следовательно, увеличения сети.
Несмотря на то, что одноранговые сети вполне удовлетворяют потребности небольших фирм, возникают ситуации, когда их использование является неуместным. В этих сетях защита предполагает установку пароля на разделяемый ресурс (например, каталог). Централизованно управлять защитой в одноранговой сети сложно, т. к.:
– пользователь устанавливает ее самостоятельно;
– «общие» ресурсы могут находиться на всех ПК, а не только на центральном сервере.
Такая ситуация – угроза для всей сети; кроме того пользователи могут вообще не установить защиту.
Сети на основе сервера
При подключении более 10 пользователей одноранговая сеть может оказаться недостаточно производительной. Поэтому большинство сетей используют выделенные серверы (рисунок 5.27). Выделенными называются такие серверы, которые функционируют только как сервер (исключая функции РС или клиента). Они специально оптимизированы для быстрой обработки запросов от сетевых клиентов и для управления защитой файлов и каталогов.
Рисунок 5.27 – Структура сети на основе сервера
С увеличением размеров сети и объема сетевого трафика необходимо увеличивать количество серверов. Распределение задач среди нескольких серверов гарантирует, что каждая задача будет выполняться самым эффективным способом из всех возможных.
Круг задач, которые выполняют серверы, многообразен и сложен. Чтобы приспособиться к возрастающим потребностям пользователей, серверы в ЛВС стали специализированными. Так, например, в операционной системе Windows NT Server существуют различные типы серверов (рисунок 5.15):
– Файл-серверы и принт-серверы . Они управляют доступом пользователей к файлам и принтерам. Другими словами, файл-сервер предназначен для хранения файлов и данных;
– серверы приложений (в том числе сервер баз данных, WEB –сервер) . На них выполняются прикладные части клиент серверных приложений (программ). Эти серверы принципиально отличаются от файл-серверов тем, что при работе с файл-сервером нужный файл или данные целиком копируются на запрашивающую РС, а при работе с сервером приложений на РС пересылаются только результаты запроса;
– почтовые серверы – управляют передачей электронных сообщений между пользователями сети;
– факс-серверы – управляют потоком входящих и исходящих факсимильных сообщений через один или несколько факс-модемов;
– коммуникационные серверы – управляют потоком данных и почтовых сообщений между данной ЛВС и другими сетями или удаленными пользователями через модем и телефонную линию. Они же обеспечивают доступ к Интернет;
– сервер служб каталогов – предназначен для поиска, хранения и защиты информации в сети.
Windows NT Server объединяет PC в логические группы-домены, система защиты которых наделяет пользователей различными правами доступа к любому сетевому ресурсу.
Рисунок 5.28. – Типы серверов в ЛВС
При этом каждый из серверов может быть реализован как на отдельном компьютере, так и в небольших по объему ЛВС, быть совмещенным на одном компьютере с каким-либо другим сервером. Север и ОС работают как единое целое. Без ОС даже самый мощный сервер представляет собой груду железа. ОС позволяет реализовать потенциал аппаратных ресурсов сервера.
Преобразование сигналов
Погрешности и шумы квантования.
Квантование по уровню, равномерное и неравномерное квантование.
Преобразование сигналов.
Канал есть совокупность технических средств между источником сообщений и потребителем. Технические устройства, входящие в состав канала, предназначены для того, чтобы сообщения дошли до потребителя наилучшим образом – для этого сигналы преобразуют. Такими полезными преобразованиями сигнала являются модуляция, рассмотренная ранее и преобразование непрерывных сигналов в дискретные. Соответственно, каналы классифицируют по состояниям – непрерывные и дискретные .
Сигналы, несущие информацию о состоянии какого-либо объекта или процесса, по своей природе непрерывны, как непрерывны сами процессы. По этой причине такие сигналы называют аналоговыми, т.к. они являются аналогом отображаемого ими процесса или состояний объекта. Число значений, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ может принимать аналоговый сигнал, бесконечно. Соответственно, каналы, по которым передаются эти сигналы, также являются аналоговыми.
В АТС задача часто сводится к тому, чтобы различить конечное число состояний объекта͵ к примеру, занята рельсовая цепь или свободна. Для передачи этого числа состояний достаточно сравнить принимаемый сигнал с некоторым опорным сигналом. В случае если он больше опорного, объект находится в одном состоянии, меньше – в другом. Чем больше число состояний объекта͵ тем больше должно быть опорных уровней.
С другой стороны, информацию о состоянии объекта потребителю достаточно получать не непрерывно во времени, а периодически, и, если период опроса увязать со скоростью изменения состояний объекта͵ то потребитель не будет иметь потерь информации.
В результате преобразований непрерывного сигнала, называемых квантованием и дискретизацией получают отсчеты сигнала, рассматриваемые как числа в той или иной системе счисления. Эти отсчеты являются дискретными сигналами . Эти числа преобразуют в кодовые комбинации электрических сигналов, которые и передают по линии связи как непрерывные. При использовании в качестве носителя постоянного состояния получают последовательность видеоимпульсов. При крайне важности этой последовательностью модулируют гармоническое колебание и получают последовательность радиоимпульсов.
Под кодированием понимают преобразование дискретных сигналов в последовательность или комбинацию некоторых символов. Символ кода - ϶ᴛᴏ элементарный сигнал , отличающийся от другого символа кодовым признаком . Число значений кодовых признаков принято называть основанием кода – m . Число символов в кодовой комбинации п определяет длину кода. В случае если длина кода для всех комбинаций постоянна, код принято называть равномерным. Чаще всего используются равномерные двоичные (m =2) коды. Максимальное число кодовых комбинаций при равномерном кодировании: N = m n .
Представление непрерывных сигналов отсчетами, а отсчетов – совокупностью символов принято называть цифровыми видами модуляции . Из них наиболее распространенными являются импульсно-кодовая модуляция (ИКМ) и дельта-модуляция (ДМ).
Рассмотрим ИКМ. Пусть нам нужно передать непрерывный сигнал с диапазоном изменения от нуля до 15 вольт. Считаем, что нам достаточно передать 16 уровней, ᴛ.ᴇ. N = 16. Отсюда, если m = 2, то n = 4. Кодируем: 0 В – 0000, 1 В – 0001, 2 В – 0010, 3 В – 0011 и т.д. Эти числа в виде импульсов и пауз поступают в линию связи, затем в приемнике декодируются и превращаются, если нужно, снова в непрерывный сигнал. Преобразование непрерывного сигнала в дискретный осуществляется в устройствах, называемых аналого-цифровыми преобразователями (АЦП), обратные преобразования – в устройствах цифро-аналогового преобразования (ЦАП).
В процессе кодирования амплитуда каждого квантованного по уровню АИМ отсчета представляется в виде двоичной последовательности, содержащей m символов. Как говорилось выше, для качественной передачи телефонного сигнала при равномерном и неравномерном квантовании... [читать подробенее]
Форматы кодов в СВРЛ. Самолетные ответчики в системе вторичной радиолокации. Радиолокационные самолетные ответчики. Структурная схема ВРЛ Параметры кодов запроса Код запроса Кодовый интервал Информационное содержание Нормы ИКАО... [читать подробенее]
Способы образования и передачи сигналов. Сигналы могут передаваться: 1. Батарейным способом (импульсами постоянного тока): - по разговорным проводам - многопроводным способом - по искусственной линии 2. Индуктивным способом 3. Переменным током тональной или...
В широком смысле под кодированием сигнала понимают процесс преобразования сообщения в сигнал. Как правило, сообщение от источника информации выдается в аналоговой форме, т.е. в виде непрерывного сообщения. Однако как при приеме-передаче информации, так и при ее обработке и хранении значительное преимущество дает дискретная форма представления сигнала. Поэтому в тех случаях, когда исходные сигналы в информационных системах являются непрерывными, необходимо предварительно преобразовать их в дискретные. В связи с этим термин «кодирование» относят обычно к дискретным сигналам и под кодированием в узком смысле понимают представление дискретных сообщений сигналами в виде определенных сочетаний символов. Совокупность правил, в соответствии с которыми производятся эти операции, называется кодом .
Процесс кодирования заключается в представлении сообщений условными комбинациями, составленными из небольшого количества элементарных сигналов (например, посылка и пауза в коде Бодо, «точка» и «тире» в коде Морзе).
В зависимости от целей кодирования различают следующие его виды:
- кодирование по образцу - используется всякий раз при вводе информации в компьютер для ее внутреннего представления;
- криптографическое кодирование (шифрование) - используется при необходимости защиты информации от несанкционированного доступа;
- эффективное (оптимальное) кодирование - используется для устранения избыточности информации, т.е. для снижения ее объема (например, в архиваторах);
- помехозащитное (помехоустойчивое) кодирование - используется для обеспечения заданной достоверности в случае, когда на сигнал накладывается помеха (например, при передаче информации по каналам связи).
Процесс кодирования информации обеспечивает достижение нескольких целей. Во-первых, сообщения представляют в системе символов, обеспечивающей простоту аппаратной реализации информационных устройств. Задача кодирования сообщений для этого случая представляется как преобразование исходного сообщения в используемую (как правило, двоичную) систему счисления. Число используемых при этом различных элементарных сигналов называется основанием кода, а число элементов, образующих кодовую комбинацию, - значностью кода. Если все комбинации кода имеют одинаковую значность, то такой код называется равномерным, в противном случае - неравномерным. Операция кодирования применяется для цифровых сигналов. Для непрерывных сигналов требуется предварительное преобразование аналогового сигнала в цифровой.
Во-вторых, кодирование используется для наилучшего согласования свойств источника сообщений со свойствами канала связи - оптимальное статистическое кодирование. Под ним понимают коды, которые обеспечивают минимизацию среднего количества кодовых символов на один элемент сообщения.
В-третьих, кодирование позволит уменьшить влияние помех на процесс приема-передачи (помехоустойчивое кодирование).
В-четвертых, кодирование обеспечивает защиту информации от несанкционированного доступа.
Коды как средство тайнописи появились еще в глубокой древности. Например, древнегреческий историк Геродот в V в. до н.э. приводил примеры писем, понятных только адресату. Секретная азбука использовалась и Юлием Цезарем. Над созданием шифров работали такие известные ученые Средневековья, как Ф. Бэкон, Д. Кардано и др.
При кодировании в двоичной системе счисления используют два элементарных сигнала, которые технически легко сформировать. Например, одним элементарным сигналом может быть посылка напряжения или тока, вдвое превышающая помеху, а другим - отсутствие посылки. На рисунке 2.1 показаны преобразования исходного аналогового сигнала: сначала в цифровой, а затем в двоичный код с числом двоичных символов п = 2 (двоичное кодирование).
Рис. 2.1. Двоичное кодирование: а - исходный аналоговый сигнал; б - дискретный по времени и квантованный по уровню цифровой сигнал; в - двоичный код отсчетов с числом двоичных символов п = 2
