12. Линейные коды: nrz, rz, Манчестер, 4в/5в. (из вопросов 16, 17)

Представление данных для передачи по линиям связи

Представление данных в телекоммуникационных системах рассмотрим на примере простейшего двухточечного соединения (рис.1). В качестве абонентов А1 и А2 может выступать любое оконечное оборудование данных - ООД (DTE - Data Terminal Equipment), в частности ПЭВМ. Под дискретным каналом связи понимается совокупность линии связи и каналообразующего аппаратуры (кодер/декодер, модулятор/демодулятор).

Рис.1. Обобщенная схема двухточечного соединения

Передаваемые по сети данные представляют собой сообщения, представленные в цифровой форме, т.е. последовательность логических нулей и единиц.

Для передачи по линиям связи эти последовательности должны быть представлены в виде электрических сигналов. Для этого используются такие виды преобразования как:

• кодирование,

• и модуляция.

Эти виды преобраз-ия, рассматриваемые далее, наделяют передаваемые сигналы свойствами, необходимыми для передачи по линии связи с заданной эффективностью.

Известно множ-во видов кодир-ия. В телеком-ных системах можно выделить:

• линейное кодирование;

• помехоустойчивое кодирование,

Если для передачи по линии связи данные представляются в виде последовательно меняющихся значений напряжения или тока низкого и высокого уровня (импульсов постоянного тока, видеоимпульсов), то имеет место линейное кодирование. Получаемая при этом последовательность импульсов постоянного тока называется линейным кодом или канальным кодом (line code).

Известен целый ряд линейных кодов, отличающихся правилом формирования импульсной последовательности и свойствами. Это (рис.2):

• NRZ-код,

• RZ-коды (NRZI-код, код AMI),

• Манчестерский код,

• код 2B1Q

• и др. коды.

Они будут рассмотрены несколько позже.

Рис.2. Наиболее распространенные линейные коды

Помехоустойчивое кодирование предполагает введение избыточности (дополнительных разрядов кодовой комбинации) и применяется для повышения достоверности приема и выполняется на канальном уровне. Однако этот вид преобразования выполняется на канальном уровне и будет рассмотрен при изучении канального уровня.

Импульсная модуляция используется в системах с импульсным переносчиком. Здесь переносчиком является периодическая последовательность импульсов, параметры которой (амплитуда, длительность, смещении относительно тактовых меток) меняются под действием передаваемого сообщения. В телекоммуникационных системах в настоящее время используется редко.

Цифровая модуляция используется при передаче непрерывных сообщений цифровым способом и предполагает дискретизацию по времени и квантование по уровню с последующим представлением значений дискретных отсчетов непрерывного сообщения в цифровой форме, т.е. передача непрерывных сообщений сводится к передаче данных.

Линейное кодирование

Для линейного (канального) кодирования данных применяют потенциальные и импульсные коды (line code).

В потенциальных кодах для представления логических единиц и нулей исполь­зуется только значение потенциала сигнала, а его перепады, формирующие закон­ченные импульсы, во внимание не принимаются.

Импульсные коды позволяют представить двоичные данные либо импульсами определенной полярности, либо частью импульса — перепадом потенциала определенного направления.

Требования к методам линейного кодирования

При использовании прямоугольных импульсов для передачи данных необходимо выбрать такой способ кодирования, который одновременно до­стигал бы нескольких целей:

• имел при одной и той же скорости передачи данных наименьшую ширину спектра результирующего сигнала;

• обеспечивал побитовую синхронизацию между передатчиком и приемником;

• обладал способностью распознавать ошибки;

• обладал низкой стоимостью реализации;

• к спектру сигнала предъявляется требование отсутствия посто­янной составляющей, то есть наличия постоянного тока между передатчиком и приемником. Это требование обусловлено тем, что в случае применения в линии трансформаторных схем для гальва­нической развязки постоянная составляющая сигнала не проходит через линию.

Синхронизация передатчика и приемника нужна для того, чтобы приемник точно знал, в какой момент времени необходимо считывать с линии связи очередной бит данных.

Если в передаваемом сигнале отсутствует признак начала очередного бита, задача синхронизации может быть решена с помощью дополнительной линии, по которой передаются синхронизирующие (тактирующие) импульсы (рис.5). В этом варианте биты принимаемых данных снимаются с линии связи только в момент прихода так­тового импульса.

Однако 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 отказываются от использования тактирующих импульсов, яв­ляется экономия проводников в дорогостоящих кабелях.

Поэтому 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 символ кода несет более чем один бит данных). Любой резкий перепад сигнала — так называемый фронт — может служить хорошим указанием для синх­ронизации приемника с передатчиком.

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.

Код NRZ (потенциальный код без возврата к нулю)

Код NRZ (Non Return to Zero - без возврата к нулю) - это простейший линейный код (рис.2). Возможен вариант с обратной полярностью – т.е. с обратным значением уровней, соответствующих нулю и единице. Название отражает то обстоятельство, что при передаче последователь­ности единиц сигнал не возвращается к нулю в течение такта передачи бита данных (в других кодах такой возврат происходит).

Достоинства:

1. простая реализация (исходный сигнал не надо ни кодировать (преобразовывать) на передающей стороне, ни декодировать на приемной стороне),

2. минимальная среди других кодов практическая ширина спектра, что требует минимальную ширину полосы пропускания линии связи при заданной скорости передачи (у других мето­дов кодирования, например манчестерского, основная гармоника имеет более высокую частоту),

При­мер: наиболее частое изменение сигнала в сети будет при непрерывном чередовании единиц и нулей, то есть при последовательности 1010101010..., поэтому при скорости передачи, равной V=10 Мбит/с (длительность одного бита =1/V=100 нс), практическая ширина спектра Δf такого линейного сигнала, равная диапазону частот, занимаемому первым лепестком огибающей спектра (вдвое больше его первой гармоники), и соответственно требуемая полоса пропускания линии составит (рис.3):

Δf =1/1/100нс = 10 МГц

Рис. 3. Скорость передачи и требуемая полоса пропускания при коде NRZ

Недостатки:

1. Самый большой недостаток кода NRZ - это возможность потери синхронизации приемником при приеме длинных блоков (пакетов) - не обладает свойством самосинхро­низации. Приемник может привязывать момент начала приема только к первому (стартовому) биту пакета (стандартной кодовой последовательности), а в течение приема пакета он вы­нужден пользоваться только собственным внутренним тактовым генера­тором. Если «часы» приемника расходятся с «часами» передатчика в ту или другую сторону, то временной сдвиг к концу приема пакета может пре­высить длительность одного бита или даже нескольких бит. В результате произойдет потеря переданных данных (рис.4). Так, при длине пакета в 10000 бит допустимое расхождение часов составит не более 0,01% даже при иде­альной передаче формы сигнала по кабелю (импульсы генератора, опрашивающего линию связи смещаются относительно принимаемых информационных сигналов - в результате по истечении времени 10000 будет пропущен один бит).

Р ис. 4. Прием сигнала в коде NRZ с синхросигналом

2. Наличие низкочастотной составляющей, которая приближается к нулю при передаче длинных последова­тельностей единиц или нулей. Из-за этого многие каналы связи, не обеспечивающие прямого гальванического соединения между приемником и источником, этот вид кодирования не поддерживают.

В результате в чистом виде код NRZ в сетях не используется.

Тем не менее используются его различные модификации, в которых устраняют как плохую самосинхронизацию кода NRZ, так и наличие постоянной составляющей.

Чтобы избежать потери синхронизации, можно ввести вторую линию связи для передачи синхросигнала (рис. 5). Но при этом требуемое коли­чество кабеля увеличивается в два раза, количество приемников и пере­датчиков также увеличивается в два раза. При большой длине сети и боль­шом количестве абонентов это оказывается невыгодным. Поэтому код NRZ используется только для передачи короткими пакетами (обычно до 1 Кбита). 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).

Рис. 5. Синхронизация приемника и передатчика на небольших расстояниях

Наиболее известный вариант кода NRZ – код ASCII (American Standard Code for Information Interchange -Американский Стандартный Код для Обмена Информацией), используемый при обмене информацией через интерфейс RS232-C - последовательный порт персонального компьютера. Передача информации в нем ведется байтами (8 бит), сопро­вождаемыми стартовым и стоповым битами (Рис.6).

Рис. 6. Формат передаваемых данных в коде ASCII

Код RZ (биполярный импульсный код)

Кроме потенциальных кодов в сетях используются и импульсные коды, когда дан­ные представлены полным импульсом (RZ-код) или же его частью — фронтом (манчестерский код).

Наиболее простым случаем такого подхода является биполярный импульсный код RZ (Return to Zero - с возвратом к нулю), в котором единица представлена импульсом одной полярности, а ноль — другой (рис. 2, в). Каждый импульс длится половину такта. Во второй половине такта сигнал возвращается к нулю.

Достоинство:

В центре бита всегда есть переход (положительный или отрицательный), следовательно, по этому переходу при­емник может сформировать синхроимпульс (тактовый импульс для опроса линии связи). В данном случае возмож­на временная привязка к каждому отдельному биту, поэтому потери синхронизации не произойдет при любой длине пакета (последовательности бит). Т.е. код самосинхронизирующийся.

Недостатки:

1. 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.

2. При передаче длительной последовательности нулей или единиц появляется постоянная составляющая.

3. Спектр шире, чем у потенциальных кодов: требуется вдвое большая полоса пропускания канала при той же скорости передачи по сравнению с NRZ (так как здесь на один такт приходится два изменения уровня на­пряжения) и в четыре раза больше по сравнению с кодом AMI (при передаче чередующихся нулей и единиц).

Так, например, для скорости передачи информации V=10 Мбит/с (=1/V) требуется полоса пропускания линии связи F=1/(/2)20 МГц, а не 10 МГц, как для кода NRZ.

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 (рис.2,г). 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 - ↑,

• Ноль — обратным перепадом - ↓.

• В начале каждого такта может происходить служебный перепад сигнала, если нужно представить несколь­ко единиц или нулей подряд.

Достоинства:

1. Так как сигнал изменяется по крайней мере один раз за такт передачи одного бита данных (в середине битового интервала обязательно есть перепад потенциала – фронт импульса), то манчестерский код обладает хорошими самосинхронизирующими свойствами.

2. Нет постоянной составляющей.

3. Используется 2 уровня, а не 3, как в коде RZ , и, следовательно обладает более высокой помехоустойчивостью по сравнению с кодом RZ.

Недостаток/достоинство:

Ширина спектра манчестерского кода больше, чем у кода NRZ, но уже, чем у кода RZ. Основная гармоника в лучшем случае (при передаче чередующихся единиц или нулей) имеет частоту 1/2τ (как у NRZ), а в худшем (при передаче последовательности единиц и нулей) она равна 1/τ, как и у кода RZ. Это позволяет считать, что в среднем ширина спектра манчестерского кода равна 1,5/τ, т.е. в 1,5 раза шире, чем у кода NRZ и во столько же раз уже, чем у кода RZ.

Нетрудно видеть, что Манчестерский код является компромиссным решением на фоне кодов NRZ и RZ.

Логическое кодирование

Логическое кодирование используется для улучшения потенциальных кодов типа NRZ или 2B1Q. Логическое кодирование должно заменять длинные после­довательности бит, приводящие к постоянному потенциалу, вкраплениями единиц. Как уже отмечалось выше, для логического кодирования характерны два метода:

• избыточное кодирование (введение избыточночти в передаваемый сигнал)

• скрэмблирование (перемешивание потока передаваемых бит).

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 (разрешенные кодовые комбинации), а остальные счи­тать запрещенными кодовыми комбинациями (code violation), перечисленными в Табл.2.

Таблица 2

Как следует из табл.2, символы кода 4В/5В длиной 5 бит гарантируют, что при любом их сочетании на линии не могут встретиться более трех нулей подряд.

Введение избыточности по вышеизложенному принципу позволяет получить код, обладающий следующими достоинствами.

Достоинства:

• в коде устраняется постоянной состав­ляющая;

• код становится самосинхронизирующимся;

• появляется возможность распознавать некоторые искаженные биты (действительно. если приемник принимает запрещенную кодовую комбинацию, значит на линии произошло искажение сигнала.

Буква В в названии кода означает, что элементарный сигнал имеет 2 состоя­ния — от английского binary — двоичный.

Недостаток(достоинство?)

Для обеспечения заданной скорости передачи данных передатчик, исполь­зующий избыточный код, должен работать с повышенной тактовой частотой. Так, для передачи кодов 4В/5В со скоростью 100 Мбит/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 (см. рис.9). Тем не менее спектр избыточного потенциального кода оказывается уже спектра манче­стерского кода, что оправдывает дополнительный этап логического кодирования

Так, в сети FDDI (скорость передачи 100 Мбит/с) применяется код 4В/5В, который 4 информационных бита преобразует в 5 передаваемых битов. При этом синхронизация приемника осуществляется один раз на 4 бита, а не в каждом бите, как в случае кода Манчестер-П. Требуемая полоса пропускания увеличивается по сравнению с кодом NRZ не в два раза, а только в 1,25 раза (то есть составляет не 100 МГц, а всего лишь 62,5 МГц). По тому же принципу строятся и другие коды, например 5В/6В, исполь зуемый в стандартной сети lOOVG-AnyLAN, или 8В/10В, используемый в сети Gigabit Ethernet.