Методы кодирования
Выбор способа кодирования
При выборе способа кодирования нужно одновременно стремиться к достижению не
скольких 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. Спектр сигнала в об
щем случае зависит как от способа кодирования, так и от тактовой частоты передатчика.
Пусть мы разработали два способа кодирования, причем в каждом такте передается один бит информации. Пусть также в первом способе ширина спектра сигнала F равна тактовой частоте смены сигналов /, то есть F == /, а второй способ дает зависимость F = 0,8/. Тогда при одной и той же полосе пропускания В первый способ позволит передавать данные со скоростью В бит/с, а второй (1/0,8)Я - 1,25 В бит/с.
Синхронизация передатчика и приемника нужна для того, чтобы приемник точно знал, в какой момент времени считывать новую порцию информации с линии связи. При пере
дачедискретной информации время всегда разбивается на такты одинаковой длительности, и приемник старается считать новый сигнал в середине каждого такта, то есть синхрони
зировать свои действия с передатчиком.
Проблема синхронизации в сетях решается сложнее, чем при обмене данными между близко расположенными устройствами, например между блоками внутри компьютера
264Глава 9. Кодирование и мультиплексирование данных или же между компьютером и принтером. На небольших расстояниях хорошо работает схема, основанная на отдельной
тактирующей линии связи (рис. 9.6), так что информация снимается с линии данных только в момент прихода тактового импульса. В сетях использо
вание 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 соответ
ствующего 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.
Передатчик
0 1
- + - II
j о
о о
Приемник
Информация
Тактовые импульсы
Рис. 9.6. Синхронизация приемника и передатчика на небольших расстоянияхВ 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 пере
датчиком.
При использовании синусоид в качестве несущего сигнала результирующий код обладает свойством самосинхронизации, так как изменение амплитуды несущей частоты дает воз
можность приемнику определить момент очередного такта.
Распознавание и коррекцию искаженных данных сложно осуществить средствами физи
ческого уровня, поэтому чаще всего эту работу берут на себя протоколы, лежащие выше: 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.
Потенциальный код NRZРисунок 9.7,
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 кодиро
вания при передаче последовательности единиц сигнал не возвращается к нулю в течение такта.
Методы кодирования
265
Итак, достоинства метода NRZ.
□ Простота реализации.
□ Метод обладает хорошей распознаваемостью ошибок (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 узкому спектру.
Теперь недостатки метода NRZ.
□ Метод не обладает свойством самосинхронизации. Даже при наличии высокоточного тактового генератора приемник может ошибиться с выбором момента съема 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 серьезным недостатком метода NRZ является наличие низкочастотной со
ставляющей, которая приближается к постоянному сигналу при передаче длинных последовательностей единиц или нулей. Из-за этого многие линии связи, не обеспечи
вающие прямого гальванического соединения между приемником и источником, этот вид кодирования не поддерживают. Поэтому в сетях код NRZ в основном используется
266
Глава 9. Кодирование и мультиплексирование данных в виде различных его модификаций, в которых устранены проблемы плохой самосин
хронизации и постоянной составляющей.
Биполярное кодирование AMI
Одной из модификаций метода NRZ является метод биполярного кодирования с альтер
нативной инверсией (Alternate Mark Inversion, AMI). В этом методе применяются три уровня потенциала — отрицательный, нулевой и положительный (см. рис. 9.7, 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 разнопо
лярных 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 для кода
AMI столь же опасны, как и для кода NRZ — сигнал вырождается в постоянный потенциал нулевой амплитуды.
В целом, для различных комбинаций битов 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 /о имеет частоту N /4 Гц.
Код AMI предоставляет также некоторые возможности по распознаванию ошибочных сигналов. Так, нарушение строгой очередности в полярности сигналов говорит о ложном импульсе или исчезновении с линии корректного импульса.
В коде AMI используются не два, а три уровня сигнала на линии. Дополнительный уро
вень требует увеличение мощности передатчика примерно на 3 дБ для обеспечения той же достоверности приема битов на линии, что является общим недостатком кодов с не
сколькими состояниями сигнала по сравнению с кодами, в которых различают только два состояния.
Потенциальный код NRZI
Существует код, похожий на AMI, но только с двумя уровнями сигнала. При передаче нуля он передает потенциал, который был установлен на 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). Он удобен в тех случаях, когда наличие третьего уровня сигнала весьма нежелательно, например-в оптических кабелях, где устойчиво распознаются только два состояния сигнала — свет и темнота.
Код NRZI хорош тем, что в среднем требует меньше изменений сигнала при передаче произвольной двоичной информации, чем манчестерский код, за счет чего спектр его сигналов уже. Однако код NRZI обладает плохой самосинхронизацией, так как при пере
даче длинных последовательностей нулей сигнал вообще не меняется (например, при
Методы кодирования
267передаче последних 3-х нулей на рис. 9.7, а), и, значит, у приемника исчезает возможность синхронизации с передатчиком на значительное время, что может приводить к ошибкам распознавания данных.
Для улучшения потенциальных кодов, подобных AMI и NRZI, используются два метода.
Первый метод основан на добавлении в исходный код избыточных битов, содержащих логические единицы. Очевидно, что в этом случае длинные последовательности нулей пре
рываются, и код становится самосинхронизирующимся для любых передаваемых данных.
Исчезает
также постоянная составляющая, а значит, еще более сужается спектр сигнала.
Однако 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 к нулю. Устройства, или блоки, выполняющие такую операцию, называются скрэмблера- ми. При скремблировании используется известный алгоритм, поэтому приемник, получив двоичные данные, передает их на дескрэмблер, который восстанавливает исходную по
следовательность битов.
Биполярный импульсный кодПомимо
потенциальных кодов в сетях используются и
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. 9.7,
в). Каждый импульс длится половину такта. Подобный код обладает отличными самосинхронизирующими свойствами, но постоянная составляющая может присутствовать, например, при передаче длинной по
следовательности 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
МГц, 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 широко
го спектра биполярный импульсный код используется редко.
Манчестерский кодВ локальных сетях до недавнего времени самым распространенным был так называемый манчестерский код (см. рис. 9.7, г). Он применяется в технологиях Ethernet и Token
Ring.
В манчестерском коде для кодирования единиц и нулей используется перепад потен
циала, 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, к тому же основная гармоника в худшем случае (при передаче
268Глава 9. Кодирование и мультиплексирование данных 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
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 2B1QНа рис. 9.7,
д показан потенциальный код с четырьмя уровнями сигнала для кодирова
ния данных. Это код
2B1Q, название которого отражает его суть — каждые два бита (2В) передаются за один такт (1) сигналом, имеющим четыре состояния (Q — Quadra). Паре битов 00 соответствует потенциал -2,5 В, паре 01 — потенциал -0,833 В, паре 11 — потен
циал +0,833 В, а паре 10 — потенциал +2,5 В.
При этом способе кодирования требуются дополнительные меры по борьбе с длинными последовательностями одинаковых пар битов, так как при этом сигнал превращается в по
стоянную составляющую. При случайном чередовании битов спектр сигнала в два раза уже, чем у кода NRZ, так как при той же битовой скорости длительность такта увеличи
вается 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.
Для улучшения потенциальных кодов типа AMI, NRZI или 2Q1B используются избыточ
ные коды и скрэмблирование.
Избыточный код 4В/5ВИзбыточные коды основаны на разбиении исходной последовательности битов на порции, которые часто называют
символами. За*гем каждый исходный символ
заменяется новым с большим количество битов, чем исходный.
Например, в логическом коде
4В/5В, используемом в технологиях FDDI и Fast Ethernet, исходные символы длиной 4 бит заменяются символами длиной 5 бит. Так как результи
рующие символы содержат избыточные биты, то общее количество битовых комбинаций в них больше, чем в исходных. Так, в коде 4В/5В результирующие символы могут содер
жать 32 битовые комбинации, в то время как исходные символы — только 16 (табл. 9.1).
Поэтому в результирующем коде можно отобрать 16 таких комбинаций, которые не со
держат большого количества нулей, а остальные считать
запрещенными кодами (code violations). Помимо устранения постоянной составляющей и придания коду свойства самосинхронизации, избыточные коды позволяют приемнику распознавать искаженные биты. Если приемййк принимает запрещенный код, значит, на линии произошло искаже
ние сигнала.
После разбиения получившийся код 4В/5В передается по линии путем преобразования с помощью какого-либо из методов потенциального кодирования, чувствительного толь
ко к длинным последовательностям нулей. Таким кодом является, например, код NRZI.
Методы кодирования
2 6 9Символы кода 4В/5В длиной 5 бит гарантируют, что при любом их сочетании на линии не встретятся более трех нулей подряд.
Таблица 9.1. Соответствие исходных и результирующих кодов 4В/5ВИсходный код
Результирующий код
Исходный код
Результирующий код
0000 11110 1000 10010 0001 01001 1001 10011 0010 10100 1010 10110
ООН
10101 1011 10111 0100 01010 1100 11010 0101 01011 1101 11011
ОНО
01110 1110 11100 0111 01111 1111 11101
ПРИМЕЧАНИЕ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------Буква В в названии кода 4В/5В означает, что элементарный сигнал имеет два 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 З6 - 729 результирующих символов.Использование таблицы перекодировки является очень простой операцией, поэтому этот подход не усложняет сетевые адаптеры и интерфейсные блоки коммутаторов и маршру
тизаторов.
Для обеспечения заданной пропускной способности линии передатчик, использующий из
быточный код, должен работать с повышенной тактовой частотой. Так, для передачи кодов
4В/5В со скоростью 100 Мбит/с требуется тактовая частота 125 МГц. При этом спектр сигналу на линии расширяется по сравнению со случаем, когда по линии передается не избыточный код. Тем не менее спектр избыточного потенциального кода оказывается уже спектра манчестерского кода, что оправдывает дополнительный этап логического кодиро
вания, а также работу приемника и передатчика на повышенной тактовой частоте.
СкремблированиеСкремблирование заключается в побитном вычислении результирующего кода на осно
вании битов исходного кода и полученных в предыдущих тактах битов результирующего кода. Например, скрэмблер может реализовывать следующее соотношение:
Ві = Лі Ві-з Ві-5.Здесь
Ві — двоичная цифра результирующего кода, полученная на
і-м такте работы скрэм
блера, Д - двоичная цифра исходного кода, поступающая на г-м такте на вход скрэмблера,
Ві_зиДі
-5 — двоичные цифры результирующего кода, полученные на предыдущих тактах работы скрэмблера (соответственно на 3 и на 5 тактов ранее текущего такта) и объединен
ные операцией исключающего ИЛИ (сложение по модулю 2).
270Глава 9. Кодирование и мультиплексирование данных
Например, для исходной последовательности 110110000001 скрэмблер даст следующий результирующий код (первые три цифры результирующего кода будут совпадать с ис
ходным кодом, так как еще нет нужных предыдущих цифр):
В\ =
А\ - 1
Л2 ”
1Вз =
Аз " 0
В^= А\ В\ ” 1 1 ** 0
В$ ** Л
Скачать 22.28 Mb.