839

150

Из-за этого приемник лишен возможности определять по входному сигналу моменты времени, когда нужно в очередной раз считывать данные. Даже при наличии высокоточного тактового генератора приемник может рассинхронизоваться с передатчиком, так как частоты двух генераторов никогда не бывают абсолютно одинаковыми. Поэтому при высоких скоростях обмена данными и длинных последовательностях единиц или нулей некоторое рассогласование тактовых частот может привести к ошибке в целый такт и, следовательно, некорректному считыванию бита. Другим серьезным недостатком метода NRZ является наличие низкочастотной составляющей спектра, которая приближается к нулю при передаче длинных последовательностей единиц или нулей. И поэтому линии связи, не обеспечивающие прямого гальванического соединения между приемником и источником, не используют этот вид кодирования. Из-за этого в чистом виде код NRZ в сетях не применяется, но используются его различные модификации, в которых устраняются как плохая самосинхронизация кода, так и постоянная составляющая.

Модификацией метода NRZ является метод биполярного кодирования с альтернативной инверсией (Bipolar Alternate Mark Inversion, AMI). В этом методе (рис. 4.8, в) используются три уровня потенциала — отрицательный, нулевой и положительный. Логический нуль кодируется нулевым потенциалом, а логическая единица — положительным или отрицательным уровнем, при этом потенциал каждой последующей единицы противоположен потенциалу предыдущей.

Код AMI ликвидирует проблемы постоянной составляющей и отсутствия самосинхронизации при передаче длинных последовательностей единиц, но не нулей. При передаче единиц сигнал на линии — это последовательность разнополярных импульсов (с тем же спектром, что и у кода NRZ, то есть без постоянной составляющей и с основной гармоникой N/2 Гц, где N — битовая скорость передачи данных). В случае длинной последовательности нулей сигнал вырождается в постоянный потенциал нулевой амплитуды.

В среднем, код AMI имеет более узкий спектр сигнала, чем NRZ, а значит, и более высокую пропускную способность: так, при передаче чередующихся единиц и нулей основная гармоника

151

f0 имеет частоту N/4 Гц. Кроме того, код AMI предоставляет 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).

Так как в коде AMI используются не два, а три уровня сигнала на линии, то требуется увеличение мощности передатчика примерно на 3 дБ для обеспечения той же достоверности приема бит на линии.

Потенциальный код с инверсией при единице (Non Return to Zero with ones Inverted, NRZI) похож на AMI, но имеет только два уровня сигнала. При передаче нуля он передает тот же потенциал, который был установлен в предыдущем такте, то есть не меняет его, а при передаче единицы потенциал инвертируется на противоположный (рис. 4.8, г). Этот код удобен в тех случаях, когда использование третьего уровня сигнала весьма нежелательно, например, в оптических кабелях.

Улучшение потенциальных кодов. Для улучшения потен-

циальных кодов, подобных AMI и NRZI, используются два мето-

да. Первый метод основан на добавлении в исходный код избы-

точных бит, содержащих логические единицы. 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. Алгоритм добавления единиц известен, так что удаление их при приеме происходит в обратном порядке.

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 скремблерами (scramble — свалка, беспорядочная сборка). При скремблировании используется известный алгоритм, поэтому приемник, получив двоичные данные, передает их на дескремблер, который восстанавливает исходную последовательность бит.

152

Избыточные биты при этом по линии не передаются. Оба метода относятся к логическому, а не физическому кодированию, так как они не определяют форму сигналов на линии.

Импульсные коды. Кроме потенциальных кодов в сетях используются импульсные коды, в которых данные представлены полным импульсом или же его частью — фронтом. Примером такого подхода является биполярный импульсный код, в котором единица представлена импульсом одной полярности, а ноль — другой (рис. 4.8, д), а каждый импульс длится половину такта. У этого кода отличные самосинхронизирующими свойства, но при передаче длинной последовательности единиц или нулей может присутствовать постоянная составляющая. 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.

Влокальных сетях до недавнего времени самым распространенным методом кодирования был манчестерский код (рис. 4.8, е), применяемый в технологиях Ethernet и Token Ring.

Вманчестерском коде для кодирования единиц и нулей используется изменение 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

укодов AMI или NRZ. Ширина полосы пропускания манчестер-

153

ского кода в полтора раза уже, чем у биполярного импульсного кода, а основная гармоника колеблется вблизи значения 3N/4 Гц. Манчестерский код имеет еще одно преимущество перед биполярным импульсным кодом — в нем используются два уровня сигнала, тогда как в импульсном коде — три.

Потенциальный код 2В1Q. На рис. 4.1, ж показан потен-

циальный код с четырьмя уровнями сигнала для кодирования данных. Это код 2В1Q, 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. Этот способ кодирования не защищает от длинных последовательностей 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 2В1Q 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.

Спектр сигнала

Методика построения спектра базируется на разложении исходного сигнала в функциональный ряд, например в ряд Фурье. Коэффициенты ряда Фурье однозначно определяют гармонические составляющие исследуемого сигнала. Коэффициенты aj, bj ряда Фурье вычисляются по формулам

Так, например, на рис. 4.9 приведен потенциальный код и его спектральное разложение.

Если дискретные данные передаются с битовой скоростью N бит/с, то спектр состоит из постоянной составляющей нулевой частоты и бесконечного ряда гармоник с частотами f, 3∙f, 5∙f, 7∙f,..., где f = N/2. Амплитуды этих гармоник убывают достаточно

154

медленно — с коэффициентами 1/3, 1/5, 1/7,... от амплитуды гармоники f. В результате спектр потенциального кода требует для качественной передачи широкую полосу пропускания.

Рис. 4.9 — Равномерно чередующиеся логические нули и единицы

Кроме того, нужно понимать, что реально спектр сигнала постоянно меняется в зависимости от того, какие данные передаются по линии связи. Например, передача длинной последовательности нулей или единиц сдвигает спектр в сторону низких частот (см. рис. 4.10), 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 спектр результирующего сигнала потенциального кода при передаче произвольных данных «плавает» в некоторой полосе частот от величины, близкой к 0 Гц, до примерно 7∙f (гармониками с частотами выше 7∙f можно пренебречь из-за их малого вклада в результирующий сигнал).

Для канала тональной частоты (300—3400 Гц) верхняя граница при потенциальном кодировании достигается для скорости передачи данных в 971 бит/c, а нижняя неприемлема для любых скоростей, так как полоса пропускания канала начинается с

155

300 Гц. Поэтому потенциальные коды на каналах тональной частоты никогда не используются.

Рис. 4.10 — Дисбаланс между количеством логических нулей и единиц

В реальных системах передачи данных потенциальные коды, критичные к передаче последовательностей одинаковых символов — логических нулей или единиц (например, потенциальный, AMI, NRZI, 2B1Q) не используются. Вместо них применяются комбинированные методы, улучшающие спектральные характеристики потенциальных кодов при помощи добавления избыточных бит или скремблирования.

Поскольку негладкие функции (к которым относятся цифровые последовательности) теоретически имеет спектр бесконечной ширины, а для идеальной передачи цифрового сигнала необходимо учитывать все гармоники, то при реальной передаче данных часть информации о форме сигнала теряется. Для приемлемой распознаваемости сигнала достаточно корректно передать только значимые гармоники, например, для потенциального кода это частоты из диапазона от 0 до 7∙f Гц, где f = N/2, а N [бит/с] — битовая скорость передачи данных.

156

Рис. 4.11 — Дисбаланс между количеством логических нулей и единиц

Рассмотрим, для примера, потенциальный код, последовательность бит и спектральное разложение которого приведены на рис. 4.12.

Рис. 4.12 — Исходный сигнал и его спектр

Восстановим теперь сигнал из набора гармоник — коэффициентов ряда Фурье. Просуммировав ряд Фурье по формуле

Если же какие-то из значимых гармоник сигнала не попадают в полосу пропускания, то эти гармоники будут искажены (а то и отброшены) линией связи. Таким образом, сигнал будет восстановлен не полностью.

При построении результирующего сигнала, приведенного на рис. 4.14, использовалась только та часть спектра, которая выделена серым цветом.

Рис. 4.14 — Исходный и результирующий сигнал с отброшенными незначащими гармониками

158

Очевидно, что отброшенные гармоники (на рис. 4.14 выделены черным) не оказывают большого влияния, так как восстановленный сигнал может быть распознан с вероятностью близкой к единице.

Если же полоса пропускания канала передачи данных сдвинута в сторону, например, так, как показано на рис. 4.15 (серый цвет), то восстановленный сигнал, очевидно, корректно распознать не удастся.

Рис. 4.15 — Исходный и результирующий сигнал с узкой полосой пропускания канала

Рис. 4.16 — Сравнение результирующих сигналов с различными полосами пропускания линии связи

159

Аналоговая модуляция сигнала

Аналоговая модуляция является таким способом физического кодирования, при котором информация кодируется изменением амплитуды, частоты или фазы синусоидального сигнала несущей частоты. Основные способы аналоговой модуляции показаны на рис. 4.19—4.21. На диаграмме (рис. 4.17) показана последовательность бит исходной информации, представленная потенциалами высокого уровня для логической единицы и потенциалом нулевого уровня для логического нуля. Такой способ кодирования называется потенциальным кодом, который часто используется при передаче данных между блоками компьютера.

1

0

-1

Рис. 4.17 — Потенциальный код

Потенциальный код обладает хорошей распознаваемостью, но, как видно и рис. 4.18, у него слишком широкий и медленно убывающий спектр.

0.5

0

Рис. 4.18 — Спектр исходного потенциального кода