Реферат по защите информации. Реферат по вопр. № 1. Последовательная передача данных и механические стандарты. Линейные коды для передачи данных на значительное расстояние. Стандарты последовательной связи Москва 2012г
 Скачать 278 Kb.
|
|
Научно-исследовательский ядерный университет Московский Инженерно-Физический Институт Факультет автоматики и электроники Кафедра 26 Реферат на тему «Последовательная передача данных и механические стандарты. Линейные коды для передачи данных на значительное расстояние. Стандарты последовательной связи» Москва 2012г. Содержание 1. Введение………………………………………………………………………...3 2. Последовательная передача данных и механические стандарты…………...4 3. Организации по стандартизации……………………………………………...4 4. Стандарты последовательной связи………………………………………......5 5. Линейные коды для передачи данных на большие расстояния……………11 6. Список использованной литературы………………………………………...17 Введение В настоящее время большинство современных средств измерения (СИ) оснащены тем или иным видом интерфейса для работы в составе измерительной системы. Одним из наиболее распространённых интерфейсов является последовательный интерфейс RS-232, позволяющий подключить к компьютеру с использованием простых средств и программного обеспечения устройства, находящиеся на значительном расстоянии. Последовательный асинхронный порт COM (Communication Port – коммуникационный порт) является одним из самых старых интерфейсов персонального компьютера. Компьютер может иметь до четырёх последовательных портов при обычной физической реализации двух портов. Порты имеют внешние разъёмы типа DB25P или DB9P. Для поддержки портов ранее использовалась специализированная микросхема UART16550A, встроенная в системную плату. Контроллер COM реализован в современных компьютерах в качестве части интегрированной микросхемы LPC или непосредственно в южном мосту НМСЛ. Обмен по шине осуществляется согласно протоколу RS-232C. Согласно протоколу абоненты шины подразделяются на устройства DTE (Data Terminal Equipment – аппаратура передачи данных) и устройства DCE (Data Communication Equipment – аппаратура каналов данных). К разряду DTE относятся такие устройства, как принтер, плоттер, мышь и другая периферия. К разряду DCE относится модем. Для управления потоком данных используются аппаратные или программные средства. Программный протокол XON/XOFF предполагает наличие двунаправленного канала передачи данных. Когда принимающее устройство готово к приёму данных, оно посылает в линию символ XON, приняв который, противоположное устройство начинает передачу. Если устройство, принимающее данные, не готово их принять, оно по обратному последовательному каналу посылает символ XOFF. Противоположное устройство, приняв этот символ, приостанавливает передачу. Очевидно, что приём данных без потерь возможен только при наличии буфера в принимающем устройстве, объем которого обеспечивает сохранение данных на время реакции передатчика. Для реализации шины COM с программным протоколом достаточно всего трёх линий. В случае аппаратной реализации протокола RTS/CTS используется сигнал CTS, который позволяет остановить передачу данных, если приёмник не готов к работе. Передатчик пересылает очередной байт только при включённом состоянии линии CTS. Аппаратный протокол обеспечивает быструю реакцию передатчика на состояние приёмника. Однако в шине требуется наличие всех девяти линий, предусмотренных спецификацией RS-232C. Последовательная передача данных и механические стандарты Последовательная передача данных – это процесс передачи данных по одному биту за один промежуток времени, последовательно один за одним по одному коммуникационному каналу или компьютерной шине, в отличие от параллельной передачи данных, при которой несколько бит пересылаются одновременно по линии связи из нескольких параллельных каналов. Последовательная передача всегда используется при связи на дальние расстояния и в большинстве компьютерных сетей, так как стоимость кабеля и трудности синхронизации делают параллельную передачу данных неэффективной. При передаче данных на короткие расстояния последовательные компьютерные шины также используются всё чаще, так как и здесь недостатки параллельных шин перевешивают их преимущества в простоте. Развитие технологии для обеспечения целостности сигнала от передатчика до приёмника и достаточно высокая скорость передачи данных делают последовательные шины конкурентоспособными. Пример этому переход от шины PCI к шине PCI Express. Организации по стандартизации Существует семь основных международных организаций, занимающихся разработкой стандартов и выработкой рекомендаций, которые связаны с передачей данных: • ISO: Международная организация по стандартизации • ITU-T: Международный телекоммуникационный союз (ранее Международный консультативный комитет по телеграфии и телефонии) • IEEE: Институт инженеров по электротехнике и электронике • IEC: Международная электротехническая комиссия • RS: Ассоциация электронной промышленности • ANSI: Национальный институт стандартизации США • TIA: Ассоциация промышленности средств связи ANSi является главной организацией по стандартизации США и представляет эту страну в ISO. ANSI — некоммерческая, неправительственная организация, поддерживаемая более чем 1000 торговыми объединениями, профессиональными сообществами и компаниями. Международный союз телекоммуникаций (ITU) является специализированным агентством Организации Объединенных Наций (UNO). Он состоит из представителей от почтово-телеграфных и телефонных организаций (РТТ), пользователей и производителей телекоммуникационного оборудования. В Европе исполнительная власть имеет тенденцию тесно следовать рекомендациям ITU. Хотя в прошлом производители США их не признавали, теперь они начинают быстро приспосабливаться к рекомендациям ITU. ITU определяет полный набор стандартов, касающихся взаимодействия телекоммуникационного оборудования. Стандарты на оборудование обмена данными обычно определяются рядом рекомендаций ITU-T «V». RS является общественной организацией по стандартизации в США, специализирующейся на электрических и функциональных характеристиках интерфейсного оборудования. Она, главным образом, представляет производителей электронного оборудования. Поскольку RS и TIA в 1988 году слились, то TIA представляет телекоммуникационный сектор RS, и эти буквы появляются на некоторых документах по стандартам. IEC является международной организацией по стандартам, дочерней по отношению к ISO. Она сосредоточена на электрических стандартах. IEC возникла в Европе и ее стандарты используются в большинстве западных государств, за исключением США и близко связанных с ними странах. IEEE является профессиональным сообществом инженеров по электротехнике и электронике США. Оно выпускает свои собственные стандарты и коды. IEEE является членом ANSI и ISO. ISO привлекает членов изо всех стран мира и концентрируется на международной координации стандартов. Стандарты последовательной связи Последовательный интерфейс используется для связи двух устройств между собой. Данные в одну сторону передаются по одному проводу с помощью последовательности битов. Наиболее часто в реальной жизни используется подключение одного или нескольких устройств к компьютеру. При подключении нескольких устройств к компьютеру обмен производится только с одним из этих устройств. Для соединения со стороны компьютера используется интерфейс, называемый COM-порт (COMmunication port, коммуникационный порт). Этот порт обеспечивает асинхронный обмен и реализуется на микросхемах универсальных асинхронных приёмопередатчиков (UATR, Universal Asynchronus Receiver Transmitter), совместимых с семейством i8250. Хотя стандарт RS-232C предусматривает и асинхронный, и синхронный режимы обмена, COM-порт компьютера поддерживает только асинхронный режим. Для реализации синхронного обмена применяются специальные адаптеры, например, SDLC или V.35. Далее описываются основные протоколы последовательной связи, но сначала несколько замечаний. Слово «протокол» вносит некоторую путаницу. С одной стороны, RS-232 и RS-485 называют протоколами, а с другой, MODBUS, ZModem и CAN – тоже протоколы. Дело в том, что последовательная связь состоит из двух составляющих – аппаратной и программной. Стандарты RS-232, RS-485 и другие описывают аппаратную часть: разъёмы, назначение сигналов, уровни напряжений и т. п. Вторая составляющая – программная реализация протоколов, то есть договорённость о правилах передачи данных. Все стандарты имеют двойные, а то и тройные названия. Двойственность названий связана с тем, что Международный союз электросвязи ITU-T использует аналогичные стандарты с названиями V.xx. И, вообще говоря, два названия это ещё не предел. Так, стандарту RS-232 соответствует ISO 2110, Министерство обороны США выпустило практически идентичный стандарт Mil-Std-188C, а в нашей стране подобный стандарт введён ГОСТом 18145-81. Для краткости используются два специальных обозначения: DTE (Data Terminal Equipment) – оконечное оборудование, принимающее или передающее данные. В качестве DTE может выступать компьютер, принтер, плоттер или другое периферийное оборудование. DCE (Data Communications Equipment) – аппаратура канала данных. Функция DCE состоит в обеспечении возможности передачи информации между двумя или большим числом DTE. Для этого DCE должно обеспечивать соединение с DTE, с одной стороны, и с каналом передачи – с другой. Роль DCE чаще всего выполняет модем, например, как показано на рис. 1.1. Устройства DTE могут быть соединены напрямую, без DCE, с помощью нуль-модемного кабеля, как показано на рис. 1.2. Разводка такого кабеля показана на рис. 1.3.  Протокол RS-232 Из-за простоты и низких аппаратных требований (в сравнении с параллельным интерфейсом), последовательные интерфейсы активно используются в электронной промышленности. В настоящее время наиболее распространённым является стандарт, разработанный Ассоциацией промышленных средств связи (TIA, Telecommunication Industry Association) и Ассоциацией электронной промышленности (EIA, Electronic Industries Alliance) “EIA/TIA-232-E”, более известный под названием «RS-232». Стандарт RS-232 (его официальное название «Interface Between Data Terminal Equipment and Data Circuit-Termination Equipment Employing Serial Binary Data Interchange») предназначен для подключения аппаратуры, передающей или принимающей данные, к оконечной аппаратуре каналов данных. Стандарт описывает управляющие сигналы интерфейса, пересылку данных, электрический интерфейс и типы разъёмов. Интерфейс RS-232 используется и во многих устройствах обычного персонального компьютера, начиная с «мыши» и модема до ключей аппаратной защиты. И хотя уже все компьютеры имеют интерфейс USB, интерфейс RS-232 ещё жив и активно применяется. Согласно стандарту RS-232, сигнал передаётся напряжением. Передатчик и приёмник являются несимметричными: сигнал передаётся относительно общего провода (в отличие от симметричной передачи протокола RS-485 или RS-422). В табл. 1 приведены границы напряжений для сигналов приёмника и передатчика. Логическому нулю на входе приёмника соответствует диапазон +3…+12 В, а логической единице – диапазон -12…-3 В. Диапазон -3…+3 В – зона нечувствительности, обеспечивающая гистерезис приёмника (передатчика). Уровни сигнала на выходах должны быть в диапазоне -12…-5 В для представления логической единицы и +5…+12 В для представления логического нуля. Таблица 1. Границы напряжений COM-порта (стандарт RS-232)
Вообще говоря, стандарт RS-232 состоит из трёх частей. Первая часть, стандарт RS-232C, была принята в 1969 году и содержит описание электрических цепей и сигналов несимметричной последовательной связи. Вторая часть, стандарт RS-232D, принята в 1987 году и определяет дополнительные линии тестирования, а также формально описывает разъём DB-25. Третья часть, RS-232E, принята в 1991 году. Одним из самых неприятных недостатков стандарта RS-232 является плохая помехозащищённость и, соответственно, короткие линии передачи. Естественно, были созданы стандарты, решающие эти проблемы. Протокол RS-422A Стандарт RS-422A определяет электрические характеристики симметричного цифрового интерфейса. Он предусматривает работу на более высоких скоростях (до 10 Мбит/с) и больших расстояниях (до 1000 м) в интерфейсе DTE-DCE. Для его практической реализации, в отличие от RS-232, требуются два физических провода на каждый сигнал. Реализация симметричных цепей обеспечивает наилучшие выходные характеристики. Подобно V.28, данный стандарт является простым описанием электрических характеристик интерфейса и не определяет параметры сигналов, типы разъёмов и протоколы управления передачей данных. Для линий интерфейсов RS-422A и RS-423A могут быть использованы различные проводники (или пары проводников) одного и того же кабеля. Стандарт RS-422A был разработан совместно с RS-423A и позволяет размещать линии этих интерфейсов в одном кабеле. Он несовместим с RS-232, и взаимодействие между RS-422A и RS-232 может быть обеспечено только при помощи специального интерфейсного конвертера. Практически это полнодуплексный протокол RS-485. Приём и передача идут по двум отдельным парам проводов, причём на каждой паре может быть только по одному передатчику. Протокол RS-423A Стандарт RS-423A (другое название V.6) определяет электрические характеристики несимметричного цифрового интерфейса. «Несимметричность» означает, что данный стандарт, подобно RS-232, для каждой линии интерфейса использует только один провод. При этом для всех линий используется единый общий провод. Как и RS-422A, этот стандарт не определяет сигналы, конфигурацию выводов или типы разъёмов. Он содержит только описание электрических характеристик интерфейса. Стандарт RS-423A предусматривает максимальную скорость передачи 100 Кбит/с. Протокол RS-485 Полное название этого стандарта TIA/EIA-485A (аналогичный стандарт описывается в ISO 8482). Он включает в себя 17 страниц и определяет требования к электрическим характеристикам формирователей и приёмников. В нём ничего не говорится ни о качестве сигнала, ни о методах доступа к линиям связи, ни о протоколе обмена, ни о технологической схеме. В дополнение к описанию стандарта был опубликован документ TSB89, называющийся «Application Guidelines for TIA/EIA-485A». TSB89 состоит из 23 страниц и посвящается разъяснению, как применять устройства, определяемые стандартом TIA/EIA-485A для физических сетей. Протокол RS-449 Стандарт RS-449, в отличие от RS-422A и RS-423A, содержит информацию о параметрах сигналов, типах разъёмов, расположении контактов и т.п. В этом отношении RS-449 является дополнением к стандартам RS-422A и RS-423A. Стандарту RS-449 соответствует международный стандарт V.36. Комбинация RS-449, RS-422A и RS-423A первоначально предназначалась для замены RS-232. Однако этого не произошло, хотя данные стандарты нашли достаточно широкое применение в качестве высокоскоростного интерфейса DTE-DCE. Стандарт RS-449 определяет 30 сигналов интерфейса, большинство из которых имеют эквиваленты в RS-232, но добавлены и новые. Обозначения большинства сигналов были изменены во избежание путаницы. Десять сигналов RS-449 определены как линии первой категории. Эта группа сигналов включает в себя все основные сигналы данных и синхронизации, такие как «Передаваемые данные», «Принимаемые данные», «Синхронизация терминала». Скорость передачи сигналов первой категории существенно зависит от длины кабеля. Для линий этой категории на скоростях до 20 Кбит/с могут использоваться стандарты RS-422A либо RS-423A; на скоростях выше 20 Кбит/с (до 2 Мбит/с) – только RS-422A. Оставшиеся 20 линий классифицируются как линии второй категории и используются стандартом RS-423A. К этой категории относятся такие управляющие линии, как «Качество сигнала», «Выбор скорости передачи» и др. Стандарт RS-449 определяет тип разъёма и, в отличие от RS-232, распределение контактов разъёма. Используемые разъёмы имеют 37 контактов для прямого и 9 контактов для обратного канала. Протокол RS-562 Протокол RS-562 представляет собой низковольтную реализацию RS-232 с максимальным уровнем сигнала 3,5 В. Протокол V.24 Рекомендация V.24 содержит описание линий и набора сигналов обмена между DTE и DCE. В RS-232 используются другие обозначения линий, однако линии интерфейса RS-232 и рекомендации V.24 выполняют совершенно одинаковые функции. V.24 определяет большее количество линий, чем RS-232, поскольку стандарт V.24 используется и в других интерфейсах. В этом смысле RS-232 является подмножеством V.24. Рекомендация V.24 не определяет электрические характеристики или другие физические аспекты реализации, такие как тип разъёма, расположение контактов, длина кабеля и скорость обмена. Технические вопросы реализации интерфейса подробно изложены в стандарте V.28. Протокол V.28 Рекомендация V.28 определяет только электрические характеристики интерфейса V.24, обеспечивающего работу по несимметричным двухполярным линиям обмена на скоростях до 20 Кбит/с. К таким характеристикам относятся уровни используемых сигналов, емкостное сопротивление и т. д. Данная рекомендация не содержит требований к длине кабеля, типу разъёмов и расположению их контактов. Поэтому рекомендация V.28 может рассматриваться как подмножество стандарта RS-232 Протокол V.35 Стандарт V.35 появился в начале 1980-х годов как спецификация интерфейса между устройствами доступа к сети (мультиплексором, модемом и др.) и высокоскоростной сетью с коммутацией пакетов. Первоначально эта спецификация использовалась для подключения групповых модемов (модемных пулов) к коммутационному устройству. Рекомендация V.35 определяет синхронный интерфейс для работы по аналоговым широкополосным каналам с полосой пропускания 60-108 кГц и скоростью передачи до 48 Кбит/с. В приложении к стандарту определяется вид электрического соединения, обеспечивающего высокоскоростной последовательный интерфейс между мультиплексором и коммутационным оборудованием сети. Модемы, использующие стандарт V.35, не получили широкого распространения на рынке, но интерфейс в качестве высокоскоростной замены RS-232 прижился. В спецификации стандарта не был определён тип электрического разъёма, но фирма IBM в соё время стала выпускать совместимые с V.35 большие прямоугольные разъёмы с массивными прижимными винтами. Получилось очень надёжное соединение. Остальные производители коммутационной техники стали повторять конструкцию соединителя IBM, который и стал стандартом де-факто, и был принят в качестве рекомендации ISO 2593. Протокол X.21 Стандарт X.21 впервые был опубликован в 1972 году. Он определяет физические характеристики и процедуры управления для интерфейса DTE-DCE в режиме синхронной передачи данных и может применяться как в сетях с коммутацией каналов, так и в сетях на выделенных линиях. Стандарт предусматривает дуплексную работу при условии, что устройства связаны друг с другом реальными, а не виртуальными цифровыми линиями связи. Рекомендация ITU-T X.21 определяет формат передаваемых сигналов, которые представляются в коде MTK-5 (Международный телеграфный код № 5). Данный интерфейс рассчитан на сквозную цифровую передачу. В нём процесс установления соединения и разъединения полностью автоматизирован при помощи набора сигналов о состоянии соединения и его неисправностях. В ходе передачи данных через интерфейс могут передаваться любые последовательности битов. Создатели этого стандарта стремились максимально упростить его. Так, соединение DTE с DCE требует существенно меньшего числа сигнальных линий, чем аналогичное соединение для интерфейса RS-232. Рекомендация X.21bis Рекомендация X.21bis была разработана для обеспечения возможности подключения к сетям передачи данных общего пользования тех пользователей, которые используют для этого аналоговые выделенные или коммутируемые каналы и имеют синхронные модемы, работающие согласно рекомендациям серии V. Краткое сравнение RS-протоколов В таблице 2 приведено краткое сравнение 4 наиболее распространённых RS-протоколов. Таблица 2. Сравнение последовательных интерфейсов
Линейные коды для передачи данных на большие расстояния Синхронизация передатчика и приемника нужна для того, чтобы приемник точно знал, в какой момент времени необходимо считывать новую информацию с линии связи. Эта проблема в сетях решается сложнее, чем при обмене данными между близко расположенными устройствами, например между блоками внутри компьютера или же между компьютером и принтером. На небольших расстояниях хорошо работает схема, основанная на отдельной тактирующей линии связи, так что информация снимается с линии данных 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. Поэтому в сетях применяются так называемые самосинхронизирующиеся коды, сигналы которых несут для передатчика указания о том, в какой момент времени нужно осуществлять распознавание очередного бита (или нескольких бит, если код ориентирован более чем на два состояния сигнала). Любой резкий перепад сигнала – так называемый фронт – может служить хорошим указанием для 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 появления входного кода. Распознавание и коррекцию искаженных данных сложно осуществить средствами физического уровня, поэтому чаще всего эту работу берут на себя протоколы, лежащие выше: канальный, сетевой, транспортный или прикладной. С другой стороны, распознавание ошибок на физическом уровне экономит время, так как приемник не ждет полного помещения кадра в буфер, а отбраковывает его сразу при распознавании ошибочных бит внутри кадра. Требования, предъявляемые к методам кодирования, являются взаимно противоречивыми, поэтому каждый из рассматриваемых ниже популярных методов цифрового кодирования обладает своими преимуществами и своими недостатками по сравнению с другими. Методы цифрового кодирования Метод биполярного кодирования с альтернативной инверсией Одной из модификаций метода NRZ является метод биполярного кодирования с альтернативной инверсией (Bipolar Alternate Mark Inversion, AMI). В этом методе (рис. 2.16, б) используются три уровня потенциала - отрицательный, нулевой и положительный. 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. 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 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/2 Гц (где N - битовая скорость передачи данных). Длинные же последовательности нулей также опасны для кода AMI, как и для кода NRZ - сигнал вырождается в постоянный потенциал нулевой амплитуды. Поэтому код AMI требует дальнейшего улучшения, хотя задача упрощается - осталось справиться только с последовательностями нулей. 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. Например, при передаче чередующихся единиц и нулей основная гармоника fo имеет частоту N/4 Гц. Код AMI предоставляет также некоторые возможности по распознаванию ошибочных сигналов. Так, нарушение строгого чередования полярности сигналов говорит о ложном импульсе или исчезновении с линии корректного импульса. Сигнал с некорректной полярностью называется запрещенным сигналом (signal violation). В коде AMI используются не два, а три уровня сигнала на линии. Дополнительный уровень требует увеличение мощности передатчика примерно на 3 дБ для обеспечения той же достоверности приема бит на линии, что является общим недостатком кодов с несколькими состояниями сигнала по сравнению с кодами, которые различают только два состояния. Потенциальный код с инверсией при единице Существует код, похожий на AMI, но только с двумя уровнями сигнала. При передаче нуля он передает потенциал, который был установлен в предыдущем такте (то есть не меняет его), а при передаче единицы потенциал инвертируется на противоположный. Этот код называется потенциальным кодом с инверсией при единице (Non Return to Zero with ones Inverted, NRZI). 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. Для улучшения потенциальных кодов, подобных AMI и NRZI, используются два метода. Первый метод основан на добавлении в исходный код избыточных бит, содержащих логические единицы. Очевидно, что в этом случае длинные последовательности нулей прерываются и код становится самосинхронизирующимся для любых передаваемых данных. Исчезает также постоянная составляющая, а значит, еще более сужается спектр сигнала. Но этот метод снижает полезную пропускную способность линии, так как избыточные единицы пользовательской информации не несут. Другой метод основан на предварительном «перемешивании» исходной информации таким образом, чтобы вероятность появления единиц и нулей на линии становилась близкой. Устройства, или блоки, выполняющие такую операцию, называются трамблерами (scramble - свалка, беспорядочная сборка). При скремблировании используется известный алгоритм, поэтому приемник, получив двоичные данные, передает их на дескрэмблер, который восстанавливает исходную последовательность бит. Избыточные биты при этом по линии не передаются. Оба метода относятся к логическому, а не физическому кодированию, так как форму сигналов на линии они не определяют. Более детально они изучаются в следующем разделе. 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. 2, в). Каждый импульс длится половину такта. Такой 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 будет равна N Гц, что в два раза выше основной гармоники кода NRZ и в четыре 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 методом кодирования был так называемый манчестерский код. 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 также нет постоянной составляющей, а основная гармоника в худшем случае (при передаче последовательности единиц или нулей) имеет частоту N Гц, а в лучшем (при передаче чередующихся единиц и нулей) она равна N/2 Гц, как и у кодов AMI или NRZ. В среднем ширина полосы манчестерского кода в полтора раза уже, чем у биполярного импульсного кода, а основная гармоника колеблется вблизи значения 3N/4. Манчестерский код имеет еще одно преимущество перед биполярным импульсным кодом. В последнем для передачи данных используются три уровня сигнала, а в манчестерском - два. Потенциальный код 2B1Q На рис. 2, д показан потенциальный код с четырьмя уровнями сигнала для кодирования данных. Это код 2B1Q, название которого отражает его суть - каждые два бита (2В) передаются за один такт сигналом, имеющим 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 способе 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 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 для его реализации мощность передатчика должна быть выше, чтобы четыре уровня четко различались приемником на фоне помех.  Рис.2. Способы дискретного кодирования данных Логическое кодирование Логическое кодирование используется для улучшения потенциальных кодов типа AMI, NRZI или 2Q1B. Логическое кодирование должно заменять длинные последовательности бит, приводящие к постоянному потенциалу, вкраплениями единиц. Как уже отмечалось выше, для логического кодирования характерны два метода - избыточные коды и скрэмблирование. Методы логического кодирования Избыточные коды Избыточные коды основаны на разбиении исходной последовательности бит на порции, которые часто называют символами. Затем каждый исходный символ заменяется на новый, который имеет большее количество бит, чем исходный. Например, логический код 4В/5В, используемый в технологиях FDDI и Fast Ethernet, заменяет исходные символы длиной в 4 бита на символы длиной в 5 бит. Так как результирующие символы содержат избыточные биты, то общее количество битовых комбинаций в них больше, чем в исходных. Так, в коде 4В/5В результирующие символы могут содержать 32 битовых комбинации, в то время как исходные символы - только 16. Поэтому в результирующем коде можно отобрать 16 таких комбинаций, которые не содержат большого количества нулей, а остальные считать запрещенными кодами (code violation). Кроме устранения постоянной составляющей и придания коду свойства самосинхронизации, избыточные коды позволяют приемнику распознавать искаженные биты. Если приемник принимает запрещенный код, значит, на линии произошло искажение сигнала. Код 4В/5В затем передается по линии с помощью физического кодирования по одному из методов потенциального кодирования, чувствительному только к длинным последовательностям нулей. Символы кода 4В/5В длиной 5 бит гарантируют, что при любом их сочетании на линии не могут встретиться более трех нулей подряд. Буква В в названии кода означает, что элементарный сигнал имеет 2 состояния - от английского binary - двоичный. Имеются также коды и с тремя состояниями сигнала, например, в коде 8В/6Т для кодирования 8 бит исходной информации используется код из 6 сигналов, каждый из которых имеет три состояния. Избыточность кода 8В/6Т выше, чем кода 4В/5В, так как на 256 исходных кодов приходится 36=729 результирующих символов. Использование таблицы перекодировки является очень простой операцией, поэтому этот подход не усложняет сетевые адаптеры и интерфейсные блоки коммутаторов и маршрутизаторов. Для обеспечения заданной пропускной способности линии передатчик, использующий избыточный код, должен работать с повышенной тактовой частотой. Так, для передачи кодов 4В/5В со скоростью 100 Мб/с передатчик должен работать с тактовой частотой 125 МГц. При этом спектр сигнала на линии расширяется по сравнению со случаем, когда по линии передается чистый, не избыточный код. Тем не менее спектр избыточного потенциального кода оказывается уже спектра манчестерского кода, что оправдывает дополнительный этап логического кодирования, а также работу приемника и передатчика на повышенной тактовой частоте. СкрэмблированиеПеремешивание данных скрэмблером перед передачей их в линию с помощью потенциального кода является другим способом логического кодирования. Методы скрэмблирования заключаются в побитном вычислении результирующего кода на основании бит исходного кода и полученных в предыдущих тактах бит результирующего кода. Например, скрэмблер может реализовывать следующее соотношение:  где Bi - двоичная цифра результирующего кода, полученная на i-м такте работы скрэмблера, Ai - двоичная цифра исходного кода, поступающая на i-м такте на вход скрэмблера, Bi-з и Bi-5 - двоичные цифры результирующего кода, полученные на предыдущих тактах работы скрэмблера, соответственно на 3 и на 5 тактов ранее текущего такта,  - операция исключающего ИЛИ (сложение по модулю 2). Например, для исходной последовательности 110110000001 скрэмблер даст следующий результирующий код: B1 = А1 = 1 (первые три цифры результирующего кода будут совпадать с исходным, так как еще нет нужных предыдущих цифр) Таким образом, на выходе скрэмблера появится последовательность 110001101111, в которой нет последовательности из шести нулей, присутствовавшей в исходном коде. После получения результирующей последовательности приемник передает ее дескрэмблеру, который восстанавливает исходную последовательность на основании обратного соотношения:  Различные алгоритмы скрэмблирования отличаются количеством слагаемых, дающих цифру результирующего кода, и сдвигом между слагаемыми. Так, в сетях ISDN при передаче данных от сети к абоненту используется преобразование со сдвигами в 5 и 23 позиции, а при передаче данных от абонента в сеть - со сдвигами 18 и 23 позиции. Существуют и более простые методы борьбы с последовательностями единиц, также относимые к классу скрэмблирования. Для улучшения кода Bipolar AMI используются два метода, основанные на искусственном искажении последовательности нулей запрещенными символами. Код B8ZS исправляет только последовательности, состоящие из 8 нулей. Для этого он после первых трех нулей вместо оставшихся пяти нулей вставляет пять цифр: V-1*-0-V-1*. V здесь обозначает сигнал единицы, запрещенной для данного такта полярности, то есть сигнал, не изменяющий полярность предыдущей единицы, 1* - сигнал единицы корректной полярности, а знак звездочки отмечает тот факт, что в исходном коде в этом такте была не единица, а ноль. В результате на 8 тактах приемник наблюдает 2 искажения - очень маловероятно, что это случилось из-за шума на линии или других сбоев передачи. Поэтому приемник считает такие нарушения кодировкой 8 последовательных нулей и после приема заменяет их на исходные 8 нулей. Код B8ZS построен так, что его постоянная составляющая равна нулю при любых последовательностях двоичных цифр. Код HDB3 исправляет любые четыре подряд идущих нуля в исходной последовательности. Правила формирования кода HDB3 более сложные, чем кода B8ZS. Каждые четыре нуля заменяются четырьмя сигналами, в которых имеется один сигнал V. Для подавления постоянной составляющей полярность сигнала V чередуется при последовательных заменах. Кроме того, для замены используются два образца четырехтактовых кодов. Если перед заменой исходный код содержал нечетное число единиц, то используется последовательность 000V, а если число единиц было четным - последовательность 1*00V. Улучшенные потенциальные коды обладают достаточно узкой полосой пропускания для любых последовательностей единиц и нулей, которые встречаются в передаваемых данных. Список использованной литературы www.wikipedia.org. Агуров П. В. Последовательные интерфейсы ПК. Практика программирования. – СПб.: БХВ-Петербург, 2004. http://noname430.narod.ru. www.iworld.ru. Сопряжение датчиков и устройств ввода данных с компьютерами IBM PC: Пер. с англ./Под ред. У. Томпкинса, Дж. Уэбстера. – М.: Мир, 1992. |