Тема 10. Методы кодирования физических сигналов в компьютерных сетях.

Лекция 16

16.1 Кодирование на физическом уровне.

Отметим, что в этой лекции мы рассмотрим кодирование сигналов а не информации. Целью кодирования является кодирование или преобразование "0" и "1" поступающего кода в уровни электрических сигналов в линиях связи.

Прогресс последних лет в области повышения пропускной способности цифровых каналов связан с развитием технологии передачи цифровых данных. Здесь нужно решить проблемы синхронизации, эффективного кодирования и надежной передачи.

Проблема синхронизации состоит в том, что при генерации сигнала длительность элементарной позиции сигнала и такт их поступления на передающей стороне строго заданы и определяются тактовой частотой системы передачи.. На приемном конце для правильного восстановления сигнала необходимо иметь строго такие же параметры тактовой частоы и более того, необходима синхронизация до отдельного такта тактовой частоты.

Для решения проблемы синхронизации существует два метода передачи данных: синхронный и асинхронный. Асинхронный метод используется для относительно низкоскоростных каналов передачи и автономного оборудования. Синхронный метод применяется в скоростных каналах и базируется на пересылке синхронизующего тактового сигнала по отдельному каналу или путем совмещения его с передаваемыми данными. При наличии синхронизации приемника и передатчика можно передавать более длинные последовательности нулей или единиц, без сбоев при их приеме.

Типичный кадр данных в асинхронном канале начинается со стартового бита, за которым следует 8 битов данных. Завершается такой кадр одним или двумя стоп-битами. Стартовый бит имеет полярность противоположную пассивному состоянию линии и переводит приемник в активное состояние. Пример передачи такого кадра показан на рис. 16.1

Рис. 16.1 Пример передачи кадра в асинхронном режиме

Начальный и стоп-биты на каждый байт данных снижают пропускную способность канала и по этой причине используются только для низких скоростей обмена. Увеличение же длины блока данных приводит к ужесточению требований к точности синхронизации. При использовании синхронного метода передачи необходимы специальные меры для выделения синхронизации из общего потока данных. Для решения этой задачи обычно используется особые свойства передаваемого кода, из которого извлекаются синхроимпульсы.

Рассмотрим различные методы кодирования сигналов для передачи сигналов по оптической, либо проводной линии связи. .

В основном рассмотрим методы кодирования для компьютерных сетей – или как их называют Ethernet – стандарты 10Base-T и 100 Base-TX и 1GB Ethernet.

16.2 Самонихронизирующиеся коды - коды rz и Манчестер-II

Код RZ

RZ - это трехуровневый код, обеспечивающий возврат к нулевому уровню после передачи каждого бита информации. Его так и называют - "кодирование с возвратом к нулю" (Return to Zero). Логическому нулю соответствует положительный импульс, логической единице - отрицательный.

 

Рис. 16.2. Пример биполярного кодирования сигнала (схема RZ – return-to-zero)

Информационный переход осуществляется в начале бита, возврат к нулевому уровню - в середине бита. Особенностью кода RZ является то, что в центре бита всегда есть переход (положительный или отрицательный). Следовательно, каждый бит обозначен. Приемник может выделить синхроимпульс (строб), имеющий частоту следования импульсов, из самого сигнала. Привязка производится к каждому биту, что обеспечивает синхронизацию приемника с передатчиком. Такие коды, несущие в себе строб, называются самосинхронизирующимися.

Недостаток кода RZ состоит в том, что он не дает выигрыша в скорости передачи данных. Для передачи со скоростью 10 Мбит/с требуется частота несущей 10 МГц. Кроме того, для различения трех уровней (+1, 0, -1) необходимо лучшее соотношение сигнал / шум на входе в приемник, чем для двухуровневых кодов.

Наиболее часто код RZ используется в оптоволоконных сетях. При передаче света не существует положительных и отрицательных сигналов, поэтому используют три уровня мощности световых импульсов. (Р="1", 0.5Р="0", 0Р="-1")

Код Манчестер-II

Код Манчестер-II или манчестерский код получил наибольшее распространение в локальных сетях. Он также относится к самосинхронизирующимся кодам, но в отличие от кода RZ имеет не три, а только два уровня, что обеспечивает лучшую помехозащищенность.

При низкой скорости обмена (10 Мбит/с) используется манчестерский код, при котором логическая единица кодируется переходом сигнала с низкого уровня на высокий (рис.2 и рис. 11.3), а логический ноль - переходом с высокого уровня на низкий. Недостатком манчестерского кода является широкая полоса частотного спектра, связанная с необходимостью переключения уровней сигнала при поступлении каждой двоичной цифры

Рис. 16.3. Кодирование сигнала с использованием манчестерского кода.

Большое достоинство манчестерского кода - отсутствие постоянной составляющей при передаче длинной последовательности единиц или нулей. Благодаря этому гальваническая развязка сигналов выполняется простейшими способами, например, с помощью импульсных трансформаторов.

Код Манчестер-II нашел применение в медных и оптоволоконных и сетях передачи данных. Самый распространенный протокол локальных сетей Ethernet 10 Мбит/с использует именно этот код.