Практическая работа №5(1). Практическая работа 5 Кодирование информации в локальных сетях. Цель работы Изучить методы кодирования информации в локальных сетях.
 Скачать 296.85 Kb.
|
|
Практическая работа №5 Кодирование информации в локальных сетях. Цель работы Изучить методы кодирования информации в локальных сетях. Теоретические основы. Информация в кабельных локальных сетях передается в закодированном виде, то есть каждому биту передаваемой информации соответствует свой набор уровней электрических сигналов в сетевом кабеле. Правильный выбор кода позволяет повысить достоверность передачи информации, увеличить скорость передачи или снизить требования к выбору кабеля. Например, при разных кодах предельная скорость передачи по одному и тому же кабелю может отличаться в два раза. От выбранного кода напрямую зависит также сложность сетевой аппаратуры (узлы кодирования и декодирования кода. Код должен в идеале обеспечивать хорошую синхронизацию приема, низкий уровень ошибок, работу с любой длиной передаваемых информационных последовательностей. Код NRZ Код NRZ (Non Return to Zero – без возврата к нулю) – это простейший код, представляющий собой обычный цифровой сигнал. Логическому нулю соответствует высокий уровень напряжения в кабеле, логической единице – низкий уровень напряжения (или наоборот, что непринципиально. Уровни могут быть разной полярности (положительной и отрицательной) или же одной полярности (положительной или отрицательной. В течение битового интервала (bit time, BT), то есть времени передачи одного бита никаких изменений уровня сигнала в кабеле не происходит. К несомненным достоинствам кода NRZ относятся его довольно простая реализация исходный сигнал не надо ни специально кодировать на передающем конце, ни декодировать на приемном конце, а также минимальная среди других кодов пропускная способность линии связи, требуемая приданной скорости передачи. Ведь наиболее частое изменение сигнала в сети будет при непрерывном чередовании единиц и нулей, то есть при последовательности 1010101010..., поэтому при скорости передачи, равной 10 Мбит/с (длительность одного бита равна 100 нс) частота изменения сигнала и соответственно требуемая пропускная способность линии составит 1 / нс = 5 МГц (рис 1). Рис. 1. Скорость передачи и требуемая пропускная способность при коде NRZ Рис. 2. Передача в коде NRZ с синхросигналом Самый большой недостаток кода NRZ – это возможность потери синхронизации приемником вовремя приема слишком длинных блоков (пакетов) информации. Приемник может привязывать момент начала приема только к первому (стартовому) биту пакета, а в течение приема пакета он вынужден пользоваться только внутренним тактовым генератором внутренними часами. Например, если передается последовательность нулей или последовательность единиц, то приемник может определить, где проходят границы битовых интервалов, только по внутренним часам. И если часы приемника расходятся с часами передатчика, то временной сдвиг к концу приема пакета может превысить длительность одного или даже нескольких бит. В результате произойдет потеря переданных данных. Так, при длине пакета вбит допустимое расхождение часов составит не более 0,01% даже при идеальной передаче формы сигнала по кабелю. Во избежание потери синхронизации, можно было бы ввести вторую линию связи для синхросигнала (рис. 2). Но при этом требуемое количество кабеля, число приемников и передатчиков увеличивается в два раза. При большой длине сети и значительном количестве абонентов это невыгодно. В связи с этим код NRZ используется только для передачи короткими пакетами (обычно до 1 Кбита). Большой недостаток кода NRZ состоит еще ив том, что он может обеспечить обмен сообщениями (последовательностями, пакетами) только фиксированной, заранее обговоренной длины. Дело в том, что по принимаемой информации приемник не может определить, идет ли еще передача или уже закончилась. Для синхронизации начала приема пакета используется стартовый служебный бит, чей уровень отличается от пассивного состояния линии связи (например, пассивное состояние линии при отсутствии передачи – 0, стартовый бит – 1). Заканчивается прием после отсчета приемником заданного количества бит последовательности (рис. 3). Рис. 3. Определение окончания последовательности при коде NRZ Наиболее известное применение кода NRZ – это стандарт RS232-C, последовательный порт персонального компьютера. Передача информации в нем ведется байтами (8 бит, сопровождаемыми стартовыми стоповым битами. Три остальных кода (RZ, манчестерский код, бифазный код) принципиально отличаются от NRZ тем, что сигнал имеет дополнительные переходы (фронты) в пределах битового интервала. Это сделано для того, чтобы приемник мог подстраивать свои часы под принимаемый сигнал на каждом битовом интервале. Отслеживая фронты сигналов, приемник может точно синхронизовать прием каждого бита. В результате небольшие расхождения часов приемника и передатчика уже не имеют значения. Приемник может надежно принимать последовательности любой длины. Такие коды называются самосинхронизирующимися. Можно считать, что самосинхронизирующиеся коды несут в себе синхросигнал. Код RZ Код RZ (Return to Zero – с возвратом к нулю) – этот трехуровневый код получил такое название потому, что после значащего уровня сигнала впервой половине битового интервала следует возврат к некоему "нулевому, среднему уровню (например, к нулевому потенциалу. Переход к нему происходит в середине каждого битового интервала. Логическому нулю, таким образом, соответствует положительный импульс, логической единице – отрицательный (или наоборот) впервой половине битового интервала. В центре битового интервала всегда есть переход сигнала (положительный или отрицательный, следовательно, из этого кода приемник легко может выделить синхроимпульс строб. Возможна временная привязка не только к началу пакета, как в случае кода NRZ, но и к каждому отдельному биту, поэтому потери синхронизации не произойдет при любой длине пакета. Еще одно важное достоинство кода RZ – простая временная привязка приема, как к началу последовательности, таки к ее концу. Приемник просто должен анализировать, есть изменение уровня сигнала в течение битового интервала или нет. Первый битовый интервал без изменения уровня сигнала соответствует окончанию принимаемой последовательности бит (рис. 3.12 ). Поэтому в коде RZ можно использовать передачу последовательностями переменной длины. Рис. 4. Определение начала и конца приема при коде RZ Недостаток кода RZ состоит в том, что для него требуется вдвое большая полоса пропускания канала при той же скорости передачи по сравнению с NRZ (так как здесь на один битовый интервал приходится два изменения уровня сигнала. Например, для скорости передачи информации 10 Мбит/с требуется пропускная способность линии связи 10 МГц, а не 5 МГц, как при коде NRZ (рис. 5). Рис. 5. Скорость передачи и пропускная способность при коде RZ Другой важный недостаток – наличие трех уровней, что всегда усложняет аппаратуру как передатчика, таки приемника. Код RZ применяется не только в сетях на основе электрического кабеля, но ив оптоволоконных сетях. Правда, в них не существует положительных и отрицательных уровней сигнала, поэтому используется три следующие уровня отсутствие света, "средний" свет, сильный" свет. Это очень удобно даже когда нет передачи информации, свет все равно присутствует, что позволяет легко определить целостность оптоволоконной линии связи без дополнительных мер (рис. 6). Рис. 6. Использование кода RZ в оптоволоконных сетях Манчестерский код Манчестерский код (или код Манчестер) получил наибольшее распространение в локальных сетях. Он также относится к самосинхронизирующимся кодам, нов отличие от RZ имеет не три, а всего два уровня, что способствует его лучшей помехозащищенности и упрощению приемных и передающих узлов. Логическому нулю соответствует положительный переход в центре битового интервала (то есть первая половина битового интервала – низкий уровень, вторая половина – высокий, алогической единице соответствует отрицательный переход в центре битового интервала (или наоборот. Как ив, обязательное наличие перехода в центре бита позволяет приемнику манчестерского кода легко выделить из пришедшего сигнала синхросигнал и передать информацию сколь угодно большими последовательностями без потерь из-за рассинхронизации. Допустимое расхождение часов приемника и передатчика может достигать 25%. Подобно коду RZ, при использовании манчестерского кода требуется пропускная способность линии в два раза выше, чем при применении простейшего кода NRZ. Например, для скорости передачи 10 Мбит/с требуется полоса пропускания 10 МГц (рис. 7). Рис. 7. Скорость передачи и пропускная способность при манчестерском коде Как и при коде RZ, в данном случае приемник легко может определить не только начало передаваемой последовательности бит, но и ее конец. Если в течение битового интервала нет перехода сигнала, то прием заканчивается. В манчестерском коде можно передавать последовательности бит переменной длины (рис. 8). Процесс определения времени передачи называют еще контролем несущей, хотя в явном виде несущей частоты в данном случае не присутствует. Рис. 8. Определение начала и конца приема при манчестерском коде Манчестерский код используется как в электрических, таки в оптоволоконных кабелях (в последнем случае один уровень соответствует отсутствию света, а другой – его наличию. Основное достоинство манчестерского кода – постоянная составляющая в сигнале половину времени сигнал имеет высокий уровень, другую половину – низкий. Постоянная составляющая равна среднему значению между двумя уровнями сигнала. Если высокий уровень имеет положительную величину, а низкий – такую же отрицательную, то постоянная составляющая равна нулю. Это дает возможность легко применять для гальванической развязки импульсные трансформаторы. При этом не требуется дополнительного источника питания для линии связи (как, например, в случае использования оптронной гальванической развязки, резко уменьшается влияние низкочастотных помех, которые не проходят через трансформатор, легко решается проблема согласования. Если же один из уровней сигнала в манчестерском коде нулевой (как, например, в сети Ethernet), то величина постоянной составляющей в течение передачи будет равна примерно половине амплитуды сигнала. Это позволяет легко фиксировать столкновения пакетов в сети конфликт, коллизию) по отклонению величины постоянной составляющей за установленные пределы. Частотный спектр сигнала при манчестерском кодировании включает в себя только две частоты при скорости передачи 10 Мбит/с это 10 МГц (соответствует передаваемой цепочке из одних нулей или из одних единиц) и 5 МГц (соответствует последовательности из чередующихся нулей и единиц 1010101010...). Поэтому с помощью простейших полосовых фильтров можно легко избавиться от всех других частот (помехи, наводки, шумы) Практическая часть. Согласно таблице 1 в приложении 1 перевести свою фамилию в восьмеричный кода затем уже в двоичный. Получившуюся последовательность бит закодировать методами NRZ, RZ и манчестерским кодом. Контрольные вопросы. 1. Способ кодирования информации методом NRZ. 2. Достоинства и недостатки кода NRZ. 3. Способ кодирования информации методом RZ. 4. Достоинства и недостатки кода RZ. 5. Способ кодирования информации манчестерским кодом. 6. Достоинства и недостатки кода манчестерского кода. Приложение 1 Таблица 1 - код КОИ (сокращенный) /3/ Восьмеричный код Знак Восьмеричный код Знак Восьмеричный код Знак Восьмеричный код Знак 040 Пробел 072 : 121 Q 154 Л 041 ! 073 ; 122 R 155 МН ОП ЯР СТ У 056 105 E 140 Ю 166 Ж 057 / 106 F 141 А 167 В 060 0 107 G 142 Б 170 Ь 061 1 110 H 143 Ц 171 Ы 062 2 111 I 144 Д 172 З 063 3 112 J 145 Е 173 Ш 064 4 113 K 146 Ф 174 Э 065 5 114 L 147 Г 175 Щ 066 6 115 M 150 Х 176 Ч 067 7 116 N 151 И 070 8 117 O 152 Й 071 9 120 P 153 К |