Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методы и средства передачи данных в автоматизированных системах. Учебное пособие
.pdf
3.2. Помехи в каналах передачи данных
51
1) Атмосферные помехи в основном обусловлены электрическими
процессами в атмосфере, окружающей канал передачи данных. Наибольшее воздействие такие помехи оказывают в области длинных и средних
волн, и они особенно актуальны для беспроводной связи или для проводных линий без достаточной электрической защиты.
2) Индустриальные помехи. Они в основном возникают вследствие
резких изменений тока в электрических цепях. Это могут быть собственные электрические шумы передающих устройств, сбои на линиях электропередач. Также это могут быть помехи от силовых линий, электромоторов,
систем зажигания, мощных медицинских установок и так далее.
3) Помехи от «чужих» радиостанций. Могут возникать из-за плохой
фильтрации гармоник сигнала, принимаемых в фоне на «наши» линии передач, недостаточной стабильности радиочастот приемника или передатчика,
нарушения регламента рабочих частот, «плавающей» собственной полосы
частот, нелинейности каналов связи. Все это приводит к образованию новых
колебаний в каналах связи в дополнении к «полезным» процессам.
4) Космические помехи. Они обусловлены электромагнитными про-
цессами, происходящими, например, на Солнце и принимаемыми вместе с
полезными сигналами.
В проводных каналах связи основными являются помехи в виде им-
пульсных шумов и прерываний связи.
Импульсные шумы также возникают при автоматической или ручной коммутации каналов в виде последствий замыканий и «дребезга»
схемы. Также импульсные помехи могут возникать и вследствие перекрестных наводок с одного канала связи на другой.
«Прерыванием связи» называется процесс резкого затухания сигнала, например, из-за разрушения или окисления контактов, а также вследствие замыкания проводов при их соединении.
Все указанные помехи мы можем отнести к «внешним» помехам.
Кроме них также существуют «внутренние» помехи приборов, возникающие прямо в аппаратуре. Примерами источников таких помех могут быть
усилители и преобразователи частоты.
Внутренние помехи обусловлены главным образом наличием тепловых шумов или собственных проблем оборудования. Тепловые шумы – это
самая неочевидная для пользователя причина появления шума. Такие
Глава 3. Организация передачи данных в каналах связи
52
шумы возникают вследствие хаотического движения носителей заряда
(электронов) в проводниках, а их характеристики зависят от многих факторов, даже от рабочей температуры оборудования. Эти помехи принципиально неустранимы, но могут находиться на контролируемом уровне при
соблюдении условий эксплуатации приборов.
По принципам «соединения» с полезным сигналом мы можем оха-
рактеризовать помехи как:
1) аддитивные;
2) мультипликативные.
Аддитивной формой слияния мы можем называть такую, в которой
выходной сигнал представляется в виде суммы полезного сигнала и шума.
Под мультипликативными помехами мы можем понимать помехи,
которые являются «множителями» для входного сигнала.
Кстати говоря, физически между помехой и сигналом нет никаких
различий. Они существуют как единое целое в канале связи – мы просто
придаем смысл «полезному» сигналу и считаем «вредными» сигналами
различные «помехи», не относящиеся к полезной нагрузке канала связи.
3.3. Понятие об искажениях дискретных сигналов
По сути, любое изменение принятого дискретного сигнала в канале
связи относительно переданного ‒ называют искажением. Эти искажения
могут привести к ошибочному приёму отдельных знаков передаваемого
текста, значений переменных, кодов команд. Это как минимум приводит к
искажению передаваемой информации, а в самых крайних случаях – к сбою
всей системы.
Говоря о дискретных сигналах, мы имеем в виду искажение идеаль-
ной «прямоугольной» формы импульсов при передаче по линиям связи.
Краевые искажения передатчика – нормированная величина искаже-
ний передаваемых элементов, измеряемая непосредственно на выходе передатчика телеграфного аппарата. Краевые искажения измеряют в «процентах» длительности единичного интервала . Норма на искажения передатчика 2–4 %.
В то же самое время приемники и передатчики могут иметь возмож-
ность исправлять прямоугольную форму сигналов, восстанавливая вид импульсов – это так называемая исправляющая способность.
3.4. Классификация искажений и причины их появления
53
Исправляющая способность характеризует качество работы оконечных приемников, их способность противостоять действию искажений двоичных сигналов. Различают исправляющую способность по краевым искажениям и по дроблению. Численно исправляющая способность выражается
максимальной величиной краевых искажений или максимальной длительностью дробления, при которых принимаемые элементы комбинаций будут зарегистрированы приемником без ошибок.
Современные приемники имеют исправляющую способность
25–50 % длительности .
Также важными являются «обратные» характеристики линии передачи данных.
Среди таких характеристик мы можем выделить следующие.
Запас устойчивости – разность между величиной исправляющей
способности приемника и величиной суммарных краевых искажений на
входе этого приемника. Для безошибочности приема элементов комбинации запас устойчивости должен быть положительным.
Надежность характеризует способность аппаратуры передавать информацию с заданной величиной, объемом и сроком. Невыполнение одного или нескольких из этих требований является отказом. Отказы бывают
частичными и полными.
Система может терять надежность вследствие появления помех и искажений на линиях связи, которые мы рассмотрим далее.
3.4. Классификация искажений и причины их появления
Искажения сигналов – это большая проблема всех линий связи. Они
вызваны нарушениями в самой линии связи или посторонними факторами
и бывают:
1) нелинейными;
2) фазовыми;
3) динамическими;
4) перекрестными;
5) взаимомодуляционными;
6) краевыми.
Логично, что нелинейность системы обработки и передачи сигнала
вызывает нелинейные искажения. Эти изменения сигналов приводят к
Глава 3. Организация передачи данных в каналах связи
54
появлению неопределенных составляющих в частотном спектре выходного
сигнала, которые отсутствовали во входном сигнале.
Это могут быть изменения формы колебаний в электрической
цепи, вызванные нарушениями пропорциональности между мгновенными значениями напряжения на входе и на выходе цепи. Это в основном
происходит тогда, когда характеристика выходного напряжения нелинейно зависит от входного.
Нелинейные искажения могут быть оценены количественно при
помощи коэффициента нелинейных искажений (или коэффициентом
гармоник).
Типовые значения для коэффициента нелинейных искажений:
1) 0 % – синусоидальный сигнал;
2) 3 % – форма сигнала, близкая к синусоидальной;
3) 5 % – форма сигнала, приближенная к синусоидальной, но откло-
нения формы уже заметны даже визуально;
4) 6–21 % – сигнал трапецеидальной или ступенчатой формы;
5) 22–43 % – сигнал прямоугольной формы.
Частотные искажения вызываются «неидеальной» амплитудно-ча-
стотной характеристикой системы передачи сигнала.
По аналогии с измерениями нелинейных искажений, мы можем ко-
личественно оценивать частотные искажения при неравномерности его амплитудно-частотной характеристики.
Фазовые искажения проявляются при наличии «неидеальной» фазо-
частотной характеристики системы передачи сигнала.
Это по сути искажения, вызываемые нарушением фазовых соотно-
шений между отдельными спектральными составляющими сигнала при передаче по какой-либо цепи.
Динамические искажения, так же как и фазовые, вызываются при от-
клонении динамических характеристик от «идеальных» значений. Под динамическими характеристиками мы можем понимать быстродействие, перерегулирование системы обработки и передачи сигнала.
Например, может присутствовать искажение формы сигнала из-за
ограниченной скорости нарастания выходного напряжения при быстрых
изменениях входного напряжения.
3.5. Кодеры и декодеры сигналов
55
Перекрестные искажения обычно вызываются структурой спектра
сигнала на выходе системы при одновременном действии сигнала и модулированной радиопомехи, частота которой не совпадает с частотами основного и побочных каналов приема.
3.5. Кодеры и декодеры сигналов
Рассмотрим далее один из распространенных потенциальных кодов:
без возвращения к нулю.
На рис. 6 ниже показан метод «без возвращения к нулю» или non
return to zero (NRZ). Это метод потенциального кодирования и его название
отражает его особенность представления данных, когда сигнал не возвращается к нулю в течение следующего такта при передаче длительной последовательности единиц. Это означает то, что сигнал не имеет никакого
стабильного или устойчивого состояния между сеансами передачи данных.
Здесь следует сказать, что метод NRZ прост в реализации. Тем не
менее он обладает хорошей распознаваемостью ошибок, что обусловлено
использованием двух резко отличающихся потенциалов. Кроме использования при передаче данных, метод также распространен при решении задач
хранения информации на различных носителях.
Однако, как и многие другие коды, данный метод имеет несколько
недостатков. Пожалуй, самый основной недостаток состоит в том, что он
не обладает свойством самосинхронизации. Говоря другими словами, при
трансляции длинных последовательностей единиц или нулей, сигнал на линии не меняет своего потенциала. Вследствие этого приемник никак «не
может распознать моменты времени, когда нужно в очередной раз считывать данные. Это значит, что две самые важные фазы в передаче данных
(стартовую и конечную), невозможно определить. При этом, даже если в
линии связи присутствует высокоточный тактовый генератор, любой приемник может ошибиться с моментом съема данных.
Можно предположить, что два генератора (у приемника и у передатчика) могут исправить ситуацию. Но это не так, ситуация будет еще хуже,
так как частоты двух генераторов никогда не будут идентичными. Такие
«синхросигналы» почти на сто процентов будут иметь смещения начала
такта между собой.
Глава 3. Организация передачи данных в каналах связи
56
Рис. 6. Способы потенциального кодирования данных
Другим недостатком метода кодирования без возврата к нулю
можно назвать наличие низкочастотной составляющей. Она будет стремиться к нулю при передаче длинных последовательностей 1 или 0. Поэтому многие каналы связи этот вид кодирования игнорируют.
Конечно, данный метод тоже можно эффективно использовать на
практике, но для этого нужно устранить и «плохую» самосинхронизацию,
и постоянную составляющую сигнала.
Другими недостатками метода является наличие емкостного сопротивления в проводнике, нарушение плотности следования единичных импульсов и необходимость внедрения избыточности передачи данных за
счет внедрения детерминированных последовательностей, по которым и
проводится «искусственная» синхронизация.
Далее рассмотрим другой метод потенциального представления данных – метод биполярного кодирования с альтернативной инверсией.
3.5. Кодеры и декодеры сигналов
57
Это, по сути, одна из более поздних модификаций метода NRZ. Этот
метод называется методом биполярного кодирования с альтернативной ин-
версией или bipolar alternate mark inversion (AMI).
Примечательно в первую очередь то, что здесь используются сразу
три уровня потенциала:
1) отрицательный потенциал или минус напряжение питания;
2) нулевой;
3) положительный потенциал или плюс напряжение питания.
Создатели метода решили, что состояние логического нуля в AMI
будет представляться нулевым потенциалом, т.е. отсутствием сигнала
вообще.
Логическая же единица кодируется либо положительным потенциалом, либо отрицательным. Причем, каким потенциалом конкретно кодируются бинарные числа «1», зависит от расположения этих единиц в серии
данных: потенциал каждой новой единицы в конечном представлении
прямо противоположен потенциалу предыдущей.
За счет такого представления данных код AMI частично решает проблемы постоянной составляющей и отсутствия самосинхронизации NRZ.
Это логично, так как из описания методов видно, что в случаях передачи
длинных последовательностей «1», конечный сигнал на линии представляет собой последовательность «разнополярных» импульсов.
При этом спектр «разнополярных» импульсов точно такой же, как и
у кода NRZ, передающего чередующиеся нули и единицы. Т.е. в нем отсутствует постоянная составляющая.
Конечно, длинные последовательности «0» негативно сказываются
на передаче данных: сигнал постепенно вырождается в постоянный сигнал
с нулевой амплитудой. Очевидно, что AMI в этом плане требовал улучшения, но в остальном у него хорошие характеристики и более высокая пропускная способность линии, нежели у предыдущего рассмотренного метода кодирования.
Кстати говоря, код AMI имеет даже некоторые возможности по
распознаванию ошибок. Например, если приемник обнаружил нарушение
чередования полярности на стороне приемника, то это означает, что «проскочил» какой-то ложный импульс, или наоборот, корректный импульс
исчез с линии.
Глава 3. Организация передачи данных в каналах связи
58
Что касается различения «фраз» или «фаз» пакетов данных, то нали-
чие нескольких полярностей на линии только помогает в этом.
К недостаткам AMI можно отнести необходимость иметь передатчик с мощностью большей, чем с передатчика альтернативных технологий
и с более высокой сложностью построения аппаратуры.
Рассмотрим далее еще один метод кодирования данных: потенциальный код с инверсией при «логической единице».
Он называется потенциальным кодом с инверсией при единице или
non return to zero with ones inverted (NRZI). Этот метод несколько похож на
AMI по принципу работы, но только с двумя уровнями сигнала.
Суть его работы состоит в следующем:
1) при передаче «0» он передает потенциал, который был установлен
в предыдущем такте, и не отменяет его;
2) при передаче новой «1» потенциал инвертируется на противопо-
ложный.
Здесь как бы имитируется инверсия AMI, но только при помощи
всего двух потенциалов.
Этот код удобен в тех случаях, когда линия связи или аппаратура
физически неспособна использовать три потенциала. В качестве примера
можно назвать любые оптические кабели, так как в них распознаются
только два граничных состояния сигнала – «свет» и «темнота», т.е. «логическая единица» и «логический ноль».
Конечно, при использовании таких методов на практике стараются
улучшить коды типа AMI и NRZI. Например:
1) мы должны «разбавить» исходный код избыточными битами, име-
ющими значение логической единицы (в этом случае длинные последовательности нулей будут прерываться, но код приобретает свойство самосинхронизации, причем для любых данных;
2) мы должны «перемешать» исходную информацию таким образом,
чтобы вероятность появления единиц и нулей на линии становится примерно одинаковой.
Кстати говоря, при использовании первого метода улучшения кода
уходит постоянная составляющая, вызывая сужение спектра сигнала. Однако этот метод снижает пропускную способность линии, так как избыточные единицы пользовательской информации не несут.
3.5. Кодеры и декодеры сигналов
59
Что касается второго метода улучшения, то такая задача спокойно
решается на аппаратном уровне. Устройства, способные выполнять подобную операцию, называются скремблерами от английского слова scramble –
свалка или беспорядочная сборка.
При скремблировании применяются предустановленные настройки,
известные как передатчику, так и приемнику. Поэтому приемник, получив
двоичные данные, передает их на дескремблер, восстанавливающий исходную последовательность бит. При этом по линии избыточные биты физически не передаются.
Стоит также отметить, что оба описанных выше метода кодирования
данных относятся именно к логическому уровню представления информации, а не физическому кодированию. Такое разделение обусловлено тем,
что методы кодирования форму сигналов на линии не определяют, а только
изменяют представление данных до их перевода в конкретные электрические импульсы.
Рассмотрим далее несколько иной метод кодирования данных, кото-
рый называется биполярный импульсный код.
На самом деле, импульсные коды часто применяются на линиях
связи. При этом данные представляются либо полным импульсом, либо
только его частью, а точнее фронтом (ростом с логического «0» к логической «1») или спадом (обратный переход).
В этой связи наиболее простым случаем кодирования и является биполярный импульсный код. Здесь «логическая единица» представлена импульсом одной полярности, а «логический ноль» представляется импульсом противоположной полярности.
В биполярном импульсном кодировании каждый импульс длится
ровно половину такта. Логично, что такой код вполне обладает свойствами
«самосинхронизации». Однако следует помнить, что его постоянная составляющая все-таки может проявляться, например, при передаче длинной
серии «1» или «0».
С точки зрения физики процесса передачи, спектр такого сигнала
шире, чем у других потенциальных кодов. Так, например, при передаче
всех «0» или «1» частота основной гармоники сигнала будет в два раза
выше, чем частота основной гармоники кода NRZ. С другой стороны, она
будет в четыре раза выше основной гармоники кода AMI в случае передачи
чередующихся единиц и нулей.
Глава 3. Организация передачи данных в каналах связи
60
В «чистом» виде такой метод практически не используется, так как
у него проявляется слишком широкий спектр.
Рассмотрим далее для сравнения потенциальный код 2B1Q.
Это уникальный потенциальный код уже с четырьмя уровнями
сигнала.
При данном кодировании каждые два бита (2В) передаются за один
такт сигналом, имеющим четыре состояния (1Q).
Это означает, что:
1) двум соседним битам «00» соответствует напряжение ‒ 2,5 В;
2) двум соседним битам «01» соответствует напряжение ‒ 0,833 В;
3) двум соседним битам «11» соответствует напряжение + 0,833 В;
4) двум соседним битам «10» соответствует напряжение + 2,5 В.
В данном методе кодирования принимают дополнительные меры
по устранению слишком длинных последовательностей одинаковых бит,
так как они превращают конечный сигнал в сплошную постоянную составляющую.
Интересный факт: при помощи 2B1Q можно по одной линии передавать данные со скоростью в два раза быстрее, чем с помощью AMI или
NRZI. Единственная сложность в этом процессе состоит в том, что мощность передатчика должна быть достаточно высокой. Это нужно делать для
того, чтобы легко различать 4 уровня на фоне помех. Помимо сетей ISDN
алгоритм линейного кодирования 2В1Q нашел достаточно широкое применение в устройствах xDSL с симметричными скоростями передачи данных − HDSL и SDSL.
Далее рассмотрим альтернативный способ кодирования, являющийся самым популярным сейчас, – это Манчестерский код.
Код Манчестера до последнего времени называют самым распространенным методом представления данных. Особо популярным он является для технологий Ethernet и Token Ring.
В манчестерском кодировании логическая «1» и логический «0»
представляются не уровнем сигнала, а изменением потенциала, т.е. фронтом или спадом. Таким образом каждая цифра в исходном пакете делится
на две части.
Существует две версии манчестерского кодирования. В одной из них
«1» представляется фронтом сигнала по середине такта, а «0» представ-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]