Компьютерные сети. Принц, техн, прот 1-303. Книга переведена на английский, испанский, китайский и португальский языки
 Скачать 5.49 Mb.
|
|
Рис. 7.3. Спектры сигналов при потенциальном кодировании и амплитудной модуляции При анализе спектра потенциального сигнала мы сделали предположение, что передается чередующаяся последовательность единиц и нулей, – это упрощение позволило нам найти аналитическую формулу для всех гармоник спектра. На практике такая ситуация наблюдается не всегда, а значит, и спектр сигнала будет другим. Например, передача длинной последовательности нулей или единиц сдвигает спектр в сторону низких частот, а в крайнем случае, когда передаваемые данные состоят только из единиц (или только из нулей), спектр состоит из гармоники нулевой частоты. При передаче чередующихся единиц и нулей постоянная составляющая отсутствует. Поэтому более адекватным является утверждение о том, что спектр потенциального сигнала при передаче произвольных данных занимает полосу от некоторой величины, близкой к нулю, до примерно 7/0- Гармониками с частотами выше 7/о можно пренебречь из-за их малого вклада в результирующий сигнал. То есть спектр потенциального кода имеет границы (0,1N/2), включающие низкие частоты. Это обстоятельство делает его малопригодным для передачи компьютерных данных по абонентским телефонным каналам, для которых характерна полоса пропускания (300 Гц, 3400 Гц). Теперь рассмотрим спектр информационного сигнала в случае аналогового кодирования. В качестве типового представителя этого класса кодирования возьмем амплитудную модуляцию синусоидальной несущей. Вид результирующего информационного сигнала показан на рис. 7.3, б. Спектр сигнала такого вида может быть представлен гармоникой частоты/с и двумя боковыми гармониками (Jc + /т) и (/с - fm ), где/т – частота изменения информационного параметра синусоиды, то есть тактовая частота передатчика, fm= N. Мощность гармоник более высоких частот убывает быстро, ими можно пренебречь. Отсюда следует, что амплитудная аналоговая модуляция имеет спектр сигнала шириной 2N, что уже, чем спектр потенциального кода с той же тактовой частотой, 2ЛГ < 1N/2. Например, при тактовой частоте 10 МГц потенциальный код будет иметь спектр шириной в 35 МГц, а амплитудно-модулированный сигнал – 20 МГц. Спектр амплитудно-модулированного сигнала не только уже спектра потенциального кода, но и может быть перемещен по оси частот в зону полосы пропускания линии связи путем варьирования частотой /с несущего сигнала. Это делает амплитудную модуляцию более подходящим способом передачи дискретных данных по телефонным каналам. Выбор способа кодирования При выборе способа кодирования нужно одновременно стремиться к достижению нескольких целей: минимизировать ширину спектра сигнала, полученного в результате кодирования; обеспечивать синхронизацию между передатчиком и приемником; обеспечивать устойчивость к шумам; обнаруживать и по возможности исправлять битовые ошибки; минимизировать мощность передатчика. Более узкий спектр сигнала позволяет на одной и той же линии (с одной и той же полосой пропускания) добиваться более высокой скорости передачи данных. Как мы видели ранее, спектр сигнала при некотором выбранном методе кодирования пропорционально увеличивается при увеличении тактовой частоты передатчика, например, для потенциального кодирования эта зависимость прямо пропорциональна. Поэтому, зафиксировав способ кодирования, мы можем повышать тактовую частоту передатчика и, следовательно, битовую скорость передаваемых дискретных данных до некоторого предела, до тех пор пока спектр сигнала еще помещается в полосу пропускания линии. Более высокой битовой скорости при данном методе кодирования достичь нельзя, так как при дальнейшем повышении тактовой частоты передатчика боковые составляющие спектра будут обрезаться линией, из-за чего сигналы начнут приходить на приемник искаженными, так что приемник не сможет надежно распознавать биты передаваемой информации. Повысить тактовую частоту до более высокого предела возможно, прибегнув к другому методу кодирования, который при той же тактовой частоте приводит к сигналам более узкого спектра. И если новый и старый методы кодирования использовали одно и то же число состояний сигнала, то мы добьемся выигрыша в битовой скорости – во столько раз, во сколько при одной и той же частоте спектр нового метода кодирования уже старого. Синхронизация передатчика и приемника нужна для того, чтобы приемник точно знал, в какой момент времени считывать новую порцию информации с линии связи. При передаче дискретной информации время всегда разбивается на такты одинаковой длительности, и приемник старается считать новый сигнал в середине каждого такта, синхронизируя таким образом свои действия с передатчиком. Проблему синхронизации устройств, связанных сетью, решить сложнее, чем синхронизацию устройств, близко расположенных друг к другу, например, блоков внутри компьютера. На небольших расстояниях хорошо работает схема, основанная на отдельной тактирующей линии связи, так что информация снимается с линии только в момент прихода тактового импульса. В сетях использование этой схемы вызывает трудности из-за неоднородности характеристик проводников в кабелях. На больших расстояниях неравномерность скорости распространения сигнала может привести к тому, что тактовый импульс придет настолько позже или раньше соответствующего сигнала данных, что бит данных будет пропущен или считан повторно. Другой причиной, по которой в сетях отказываются от использования тактирующих импульсов, является экономия проводников в дорогостоящих кабелях. В сетях для решения проблемы синхронизации применяются так называемые самосин- хронизирующиеся коды, сигналы которых несут для приемника указания о том, в какой момент времени начать распознавание очередного бита (или нескольких битов, если код ориентирован более чем на два состояния сигнала). Любой резкий перепад сигнала – фронт – может служить указанием на необходимость синхронизации приемника с передатчиком. При использовании синусоид в качестве несущего сигнала результирующий код обладает свойством самосинхронизации, так как изменение амплитуды несущей частоты дает возможность приемнику определить момент очередного такта. Распознавание и коррекцию искаженных данных сложно осуществить средствами физического уровня, поэтому чаще всего эту работу берут на себя вышележащие протоколы: канальный, сетевой, транспортный или прикладной. В то же время распознавание ошибок на физическом уровне экономит время, так как приемник не ждет полного помещения кадра в буфер, а отбраковывает его сразу при распознавании ошибочных битов внутри кадра. Требования, предъявляемые к методам кодирования, являются взаимно противоречивыми, поэтому каждый из рассматриваемых далее популярных методов кодирования обладает своими достоинствами и недостатками в сравнении с другими. Кодирование дискретной информации дискретными сигналами Потенциальный код NRZ Рисунок 7.4, а иллюстрирует уже упомянутый ранее метод потенциального кодирования, называемый также кодированием без возвращения к нулю (Non Return to Zero, NRZ). Последнее название отражает то обстоятельство, что, в отличие от других методов кодирования, при передаче последовательности единиц сигнал не возвращается к нулю в течение такта. К достоинствам метода NRZ относятся: Простота реализации. Хорошая распознаваемость кода (благодаря наличию двух резко отличающихся потенциалов). Основная гармоника /о имеет достаточно низкую частоту (равную N/2 Гц, как было показано в предыдущем разделе), что приводит к относительно узкому спектру. Недостатки метода NRZ: Метод не обладает свойством самосинхронизации. Длинная последовательность единиц или нулей приводит к тому, что сигнал не изменяется в течение многих тактов, так что приемник не имеет возможности синхронизироваться с передатчиком. Из-за наличия низкочастотной составляющей, которая приближается к постоянному сигналу при передаче длинных последовательностей единиц или нулей, линии связи, не обеспечивающие прямого гальванического соединения между приемником и источником, часто не поддерживают этот вид кодирования.  Кодирование NRZ применяется как для электрических, так и для световых сигналов, в последнем случае сигналом является не уровень потенциала, а наличие или отсутствие света в оптическом волокне.Биполярное кодирование AMI Одной из модификаций метода NRZ является метод биполярного кодирования с альтернативной инверсией (Alternate Mark Inversion, AMI). В этом методе применяются три уровня потенциала – отрицательный, нулевой и положительный (см. рис. 7.4, б). Для кодирования логического нуля используется нулевой потенциал, а логическая единица кодируется либо положительным потенциалом, либо отрицательным, при этом потенциал каждой новой единицы противоположен потенциалу предыдущей. При передаче длинных последовательностей единиц код AMI частично решает проблемы наличия постоянной составляющей и отсутствия самосинхронизации, присущие коду NRZ. В этих случаях сигнал на линии представляет собой последовательность разнополярных импульсов с тем же спектром, что и у кода NRZ, передающего чередующиеся нули и единицы, то есть без постоянной составляющей и с основной гармоникой N/1 Гц (где N– битовая скорость передачи данных). Длинные последовательности нулей для кода AMI столь же опасны, как и для кода NRZ, – сигнал вырождается в постоянный потенциал нулевой амплитуды. Потенциальный код NRZI Потенциальный код с инверсией при единице (Non Return to Zero with ones Inverted, NRZI) при передаче нуля сохраняет потенциал, который был установлен на предыдущем такте, а при передаче единицы инвертирует на противоположный. Код NRZI обладает лучшей самосинхронизацией, чем NRZ, так как при передаче единицы сигнал меняется. Тем не менее при передаче длинных последовательностей нулей сигнал не меняется (например, при передаче последних трех нулей на рис. 7.4, а) и, значит, у приемника исчезает возможность синхронизации с передатчиком на значительное время, что может приводить к ошибкам распознавания данных. Биполярный импульсный код Помимо потенциальных кодов в сетях используются импульсные коды, в которых данные представлены полным импульсом или же его частью – фронтом. Наиболее простым кодом такого рода является биполярный импульсный код, в котором единица представляется импульсом одной полярности, а ноль – другой (см. рис. 7.4, в). Каждый импульс длится половину такта. Подобный код обладает отличными 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. Так, при передаче всех нулей или единиц частота основной гармоники кода равна N Гц, что в 2 раза выше основной гармоники кода NRZ и в 4 раза выше основной гармоники кода AMI при передаче чередующихся единиц и нулей. Из-за слишком широкого спектра биполярный импульсный код используется редко. Манчестерский код В локальных сетях до недавнего времени самым распространенным был так называемый манчестерский код (см. рис. 7.4, г), применяемый в технологии 10 Мбит/с Ethernet. 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. Кроме того, у него нет постоянной составляющей, к тому же основная гармоника в худшем случае (при передаче последовательности единиц или нулей) имеет частоту N Гц, а в лучшем (при передаче чередующихся единиц и нулей) – N/2 Гц, как и у кодов AMI и NRZ. В среднем ширина полосы манчестерского кода в полтора раза уже, чем у биполярного импульсного кода, а основная гармоника колеблется вблизи значения ЗА/4. Манчестерский код имеет еще одно преимущество перед биполярным импульсным кодом: в последнем для передачи данных используются три уровня сигнала, а в манчестерском – два. Избыточные коды Избыточные коды основаны на разбиении исходной последовательности битов на порции, которые часто называют символами. Затем каждый исходный символ заменяется новым с большим количество битов, чем исходный. Например, в логическом коде 4В/5В, используемом в технологии Fast Ethernet, исходные символы длиной 4 бита заменяются символами длиной 5 бит. Поскольку результирующие символы содержат избыточные биты, общее количество битовых комбинаций в них больше, чем в исходных. Так, в коде 4В/5В результирующие символы могут содержать 32 битовые комбинации, в то время как исходные символы – только 16 (табл. 7.1). Поэтому в результирующем коде появляется возможность отобрать 16 таких комбинаций, которые не содержат большого количества нулей, а остальные посчитать запрещенными кодами (code violations). Помимо устранения постоянной составляющей и придания коду свойства самосинхронизации, избыточные коды позволяют приемнику распознавать искаженные биты. Если приемник принимает запрещенный код, то это означает, что на линии произошло искажение сигнала.
|