Методы кодирования физических сигналов в компьютерных сетях.

Привет, сегодня поговорим про методы кодирования физических сигналов в компьютерных сетях , обещаю рассказать все что знаю. Для того чтобы лучше понимать что такое методы кодирования физических сигналов в компьютерных сетях , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Теория информации и кодирования.

Тема10. Методы кодирования физических сигналов в компьютерных сетях.

Лекция16.

16.1Кодированиенафизическомуровне.

Отметим, что в этой лекции мы рассмотрим кодирование сигналов а не информации. Целью кодирования является кодирование или преобразование "0" и "1" поступающего кода в уровни электрических сигналов в линиях связи.

Прогресс последних лет в области повышения пропускной способности цифровых каналов связан с развитием технологии передачи цифровых данных. Здесь нужно решить проблемы синхронизации, эффективного кодирования и надежной передачи.

Проблема синхронизации состоит в том, что при генерации сигнала длительность элементарной позиции сигнала и такт их поступления на передающей стороне строго заданы и определяются тактовой частотой системы передачи.. На приемном конце для правильного восстановления сигнала необходимо иметь строго такие же параметры тактовой частоты и более того, необходима синхронизация до отдельного такта тактовой частоты.

Для решенияпроблемы синхронизации существует два метода передачи данных: синхронныйиасинхронный. Асинхронный метод используется для относительно низкоскоростных каналов передачи и автономного оборудования. Синхронный метод применяется в скоростных каналах и базируется на пересылке синхронизующего тактового сигнала по отдельному каналу или путем совмещения его с передаваемыми данными. При наличии синхронизации приемника и передатчика можно передавать более длинные последовательности нулей или единиц, без сбоев при их приеме.

Типичный кадр данных в асинхронном канале начинается со стартового бита, за которым следует 8 битов данных. Завершается такой кадр одним или двумя стоп-битами. Стартовый бит имеет полярность противоположную пассивному состоянию линии и переводит приемник в активное состояние. Пример передачи такого кадра показан на рис. 16.1

Рис. 16.1 Пример передачи кадра в асинхронном режиме

Начальный и стоп-биты на каждый байт данных снижают пропускную способность канала и по этой причине используются только для низких скоростей обмена. Увеличение же длины блока данных приводит к ужесточению требований к точности синхронизации. При использовании синхронного метода передачи необходимы специальные меры для выделения синхронизации из общего потока данных. Для решения этой задачи обычно используется особые свойства передаваемого кода, из которого извлекаются синхроимпульсы.

Рассмотримразличные методы кодирования сигналов для передачи сигналов по оптической, либопроводной линии связи. .

В основном рассмотрим методы кодирования для компьютерных сетей – или как их называют Ethernet – стандарты 10Base-T и 100 Base-TX и 1GB Ethernet.

16.2Самосихронхронизирующиесякоды - кодыRZиМанчестер-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.

Рис. 16.2. Пример биполярного кодирования сигнала (схема RZ – return-to-zero)

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 (+1, 0, -1)необходимо лучшее соотношение сигнал / шум на входе в приемник, чем для двухуровневых кодов.

Наиболее часто код RZ используется в оптоволоконных сетях. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . При передаче света не существует положительных и отрицательных сигналов, поэтому используют три уровня мощности световых импульсов. (Р="1", 0.5Р="0", 0Р="-1")

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.

При низкой скорости обмена (10 Мбит/с) используется манчестерский код, при котором логическая единица кодируется переходом сигнала с низкого уровня на высокий (рис.2 и рис. 11.3), а логический ноль - переходом с высокого уровня на низкий. Недостатком манчестерского кода является широкая полоса частотного спектра, связанная с необходимостью переключения уровней сигнала при поступлении каждой двоичной цифры

Рис. 16.3. Кодирование сигнала с использованием манчестерского кода.

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.

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

16.3Несамосинхронизирующиесякоды. - кодNRZ.

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.

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

Кроме того, скорость передачи данных вдвое превышает тактовую 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 NRZI - Non Return to Zero Invert to ones  метод без возврата к нулю с инвертированием для единиц. Этот метод представляет собой модификацию (NRZ), В методе NRZI также используется два уровня потенциала сигнала, но потенциал, используемый для кодирования текущего бита зависит от потенциала, который использовался для кодирования предыдущего бита (так называемое дифференциальное кодирование). Если текущий бит имеет значение 1, то текущий потенциал представляет собой инверсию значения предыдущего бита, независимо от его значения. Если же текущий бит имеет значение 0, то текущий потенциал повторяет предыдущий.

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

 
Рис. 16.4.Коды NRZ, NRZI и MLT3

Для синхронизации начала приема пакета используется стартовый служебный бит, например, единица.

Наиболее известное применение кода NRZIпротокол USB –в USB 2.0 скорость передачи до 480 Мбит., кроме того он применяется в очень широкополосных каналах передачи данных - стандарт ATM155 скорость передачи 155Мб.

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.

16.4  Высокоскоростные коды- код MLT-3иPAM5.

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.

 Рис 16.5. Трехуровневый код MLT-3

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

Дополнительное преобразование данных производится при помощи метода предварительного перекодирования 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 скорость передачи- 3 бита информации на 1 герц несущей частоты сигнала. Такая схема используется в протоколе TP-PMD.

Еще более высокоскоростной код- кодPAM 5

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

 Рис 16.6. Пятиуровневый код RAM 5

Прикодировании уровень сигнала задают блоки из двух бит.

В пятиуровневом коде PAM 5 используется 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 . Данный протокол обеспечивает передачу данных со скоростью 1000 Мбит/с при ширине спектра сигнала всего 125 МГц.

16.5 Требуемаяполосачастотдляпередачиданныхиширинаспектрасигнала.

Кодирование сигналов - это способ на один период тактовой частоты повесить более 1-го бита передаваемой информации. 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) при кодировании методомNRZI. Gigabit Ethernet 1000BaseT реализован таким образом, чтобы на базе кабелякатегории 5 (полоса 100 Мгц), имеющий некоторый резерв, передавать 1000 Мбит/с.

Ширина спектра сигнала

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

 Рис.16.7 Максимальная частота несущей в зависимости от метода кодирования.

Рисунок 16.7 иллюстрирует, как метод кодирования позволяет уменьшить частоту несущей. Для трех методов кодирования приведены ситуации, требующие максимальную частоту несущей. Один период 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 спектра 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 частота чередования битов входной информационной последовательности.. Спектральная ширина сигнала в данной аналогии это огибающая сигнала при условии, что она позволяет восстановить исходный импульсный сигнал.

16.6 Контрольныевопросы.

1. Назовите цели кодирования сигналов на физическом уровне.

2. В чем отличие самосинхронозирующихся и несамосинхронозирующихся кодов?

3. Какой из кодов потенциально более производителен: двухуровневый или многоуровневый?

4. Какой код применяется для передачи в интерфейсе USB 2.0?

Надеюсь, эта статья про методы кодирования физических сигналов в компьютерных сетях , была вам полезна, счастья и удачи в ваших начинаниях! Надеюсь, что теперь ты понял что такое методы кодирования физических сигналов в компьютерных сетях и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Теория информации и кодирования

Ответы на вопросы для самопроверки пишите в комментариях, мы проверим, или же задавайте свой вопрос по данной теме.