Физический уровень сетевой модели

4.5. Кодирование передаваемых по сети данных

Информационные сигналы могут передаваться по сети синхронно с частотой тактовых сигналов, которые определяют интервал времени для передачи бита информации (бит-тайм), и асинхронно, когда информационные биты передаются без синхронизации с тактовыми импульсами.

Кодирование сигналов представляет собой процесс преобразования информации в заданный код. Кодирование позволяет различить биты информационных данных и биты сигналов управления. При асинхронной передаче для определения начала и конца кадра используются флаги, которые кодируются определенным образом, например, как на рис. 4.11.

Рис. 4.11. Обобщенный формат кадра

Кодовая комбинация 01111110 всегда обозначает флаг начала и (или) конца кадра. Если такая кодовая комбинация встречается при передаче информационных данных, то она модифицируется специальными устройствами - скремблерами. В поле адреса кадра задаются физические адреса устройства-назначения и устройства-источника. Поле управления используется для дополнительной служебной информации. Для проверки отсутствия ошибок в передаваемой в кадре информации используется поле контрольной суммы (Frame Check Sequence - FCS), которая вычисляется при передаче кадра. На приемной стороне контрольная сумма вычисляется вновь и сравнивается с принятой. Если они совпадают, то считают, что кадр передан без ошибок. При расхождении значений FCS кадр отбрасывается и требуется его повторная передача.

При передаче по физической среде сигнал подвержен линейным искажениям и воздействию помех. Для уменьшения влияния искажений и помех последовательность бит передаваемой информации преобразуется в линейный код, который передается по линии связи.

В зависимости от направляющей среды (медные или волоконно-оптические кабели, радиоканалы) используются различные коды, которые в разной степени устойчивы к воздействию линейных искажений и помех, имеют разные свойства самосинхронизации и разные спектральные характеристики. Спектры сигналов при использовании разных кодов различаются. В многоканальных системах при передаче информации по линии связи с ограниченной полосой пропускания спектр сигнала должен быть узкополосным, чтобы по одной линии передать много сообщений.

Важной характеристикой кода является свойство самосинхронизации. Оборудование на приемной стороне должно работать синхронно с передающей аппаратурой, поэтому на приемной стороне сигнал синхронизации выделяют из принятого сигнала. Для этого сигнал должен достаточно часто изменять свое состояние (переходить из низкого уровня в высокий и наоборот). Если передается длинная последовательность нулей или единиц, то синхронизация на приемной стороне может быть потеряна. Поэтому принимаются меры по искусственному изменению состояния передаваемого сигнала.

Из всего разнообразия линейных кодов на рис. 4.12 приведены наиболее распространенные. Наиболее простым и естественным является потенциальный код без возврата к нулю (Non Return to Zero - NRZ), где нулю соответствует низкий уровень сигнала, единице - высокий ( рис. 4.11). Однако при длинных последовательностях нулей у кода NRZ плохие свойства самосинхронизации, поскольку нет переходов сигнала из одного состояния в другое. Поэтому применяют специальные меры для улучшения свойств самосинхронизации: использование блочных кодов,искусственная вставка (стаффинг) единичных импульсов при передаче длинных последовательностей нулей.

Наряду с кодом NRZ широко используется код с возвратом к нулю (Return to Zero - RZ), обычно со скважностью q = 2. При передаче по линии связи сигнал кода NRZ (и RZ) подвержен линейным искажениям и воздействию помех. Особенно сильно это проявляется при передаче сигнала по медным кабелям.

Рис. 4.12. Линейные коды систем передачи информации

Модифицированный (инверсный) потенциальный код (Non-Return to Zero Inverted - NRZI) изменяет свое состояние на противоположное при передаче нуля и не меняет - при передаче единицы ( рис. 4.12). Его свойства самосинхронизации несколько лучше, чем кода NRZ, поэтому он применяется в технологии FastEthernet спецификации 100 Base-FX.

Для уменьшения влияния помех и линейных искажений в медных кабелях однополярные сигналы кода NRZ (RZ) преобразуются в биполярные (двуполярные) импульсы. Хорошими свойствами самосинхронизации и устойчивостью к воздействию помех характеризуются биполярные коды: Alternate Mark Inversion - AMI и Multi Level Transmission - MLT-3 ( рис. 4.12). Нулевые биты кода AMI представлены нулевым уровнем сигнала, а единичные биты - чередующимися значениями +V, -V. При передаче нулевого бита кода MLT-3 значение сигнала не изменяется, оставаясь таким, каким оно было к этому моменту. При передаче единичных бит данных значение сигнала изменяется в следующей последовательности: +V, 0, -V, 0, +V и т.д. Сигналы кода MLT-3 характеризуются более узкой полосой частот по сравнению с кодом NRZI, модификацией которого он является. Коды AMI, MLT-3, как и другие биполярные коды, применяются при передаче информации по медным кабелям. Например, код MLT-3 используется в локальных сетях технологии FastEthernet спецификации 100 Base-ТX.Недостатком кодов AMI, MLT-3 является плохая самосинхронизация при передаче длинной последовательности нулей, поэтому необходимо использование стаффинга или блочных кодов.

Наилучшими свойствами самосинхронизации обладает манчестерский код (Манчестер - рис. 4.12). Однако у него более широкая полоса спектра частот по сравнению с потенциальным кодом NRZI и, особенно, по сравнению с биполярными кодами AMI, MLT-3. Манчестерский код использовался в локальных сетях Ethernet спецификации 10 Base-Т. Однако полоса частот его спектра примерно в 1,5 раза шире вышеприведенных кодов. Поэтому в новых технологиях локальных сетей (FastEthernet, GigabitEthernet) манчестерский код не применяется.

Недостатком кодов AMI, MLT-3 является плохая самосинхронизация при передаче длинной последовательности нулей. Для устранения этого недостатка используется либо избыточный блочный код 4В/5В, либо специальное устройство - скремблер.

В случае применения избыточного блочного кода 4В/5В информационная последовательность разбивается на блоки по 4 бита, которые образуют 16 кодовых комбинаций. К каждому блоку добавляется дополнительный (избыточный) пятый бит, при этом можно сформировать 32 кодовых комбинации (табл. 4.3), из которых для передачи данных используются только 16 комбинаций, содержащих чередующиеся значения нулей и единиц. В последовательности передаваемых бит число нулей не может быть больше трех. Остальные кодовые комбинации считаются запрещенными или используются для передачи служебной информации. Наличие запрещенных кодовых комбинаций повышает помехозащищенность передаваемых данных.

Спектр потенциального избыточного кода 4B/5B уже спектра манчестерского кода, поэтому избыточный блочный код применяется в новых высокоскоростных технологиях, например, в FastEthernet.

4.6. Модуляция

При передаче сигналов линейных кодов ( рис. 4.12) по линиям связи на них воздействуют помехи, линейные и нелинейные искажения, что снижает дальность и скорость передачи. Поэтому для передачи информации на большие расстояния используют специальные сигналы - переносчики, способные эффективно противостоять воздействию искажений и помех. При передаче сообщения производится изменение какого-либо параметра сигнала переносчика, которое отображает передаваемую информацию. Процесс изменения информационного параметра переносчика в соответствии с передаваемой информацией получил название модуляция. Если в качестве модулирующего информационного сигнала выступает цифровой сигнал, то модуляция называется манипуляцией. Примеры сигналов, получаемых при различных видах манипуляции гармонических колебаний цифровой последовательностью двоичного кода приведены на рис. 4.13.

При амплитудной модуляции (Amplitude Modulation - AM) или амплитудной манипуляции (Amplitude Shift Keying - ASK) значениям передаваемых данных (0 и 1) соответствует два разных значения амплитуды гармонического колебания переносчика. В частном случае нулевому значению передаваемой информации соответствует нулевое значение амплитуды переносчика ( рис. 4.13).

При частотной модуляции - ЧМ (Frequency Modulation - FM) или частотной манипуляции (Frequency Shift Keying - FSK) значениям 0 и 1 передаваемых данных соответствует разная частота передаваемого сигнала. Если на приемной стороне можно распознать не 2, а 4, 8, 16,… значений амплитуды или частоты, то за один такт Т можно передать 2, 3, 4,… бита информации.

Рис. 4.13. Различные виды манипуляции

При фазовой манипуляции - ФМ (Phase Shift Keying - PSK) за один такт Т передается один бит информации, когда значению 0 передаваемых данных соответствует фаза переносчика, а значению 1 - соответствует фаза . Такой вид модуляции получил название двоичной фазовой манипуляции (Binary PSK). На приемной стороне фаза сигнала сравнивается с фазой опорного сигнала, полученного с помощью узкополосного фильтра из принятого сигнала.

При воздействии импульсных помех фаза опорного сигнала может измениться на , тогда начинается обратный прием, т.е. принимается инверсное значение данных. Для борьбы с этим явлением была разработана относительная фазовая модуляция - ОФМ. В этом случае при передаче 0 фаза передаваемого сигнала не меняется, а при передаче 1 - фаза изменяется на ( рис. 4.13).

Если фаза передаваемого сигнала может принимать одно из четырех значений (, , , ), то за один такт Т можно передать два бита информации (00, 01, 10, 11), как показано на рис. 4.14. Такая модуляция называется квадратурной фазовой манипуляцией.

Рис. 4.14. Квадратурная фазовая манипуляция

Скорость передаваемой информации измеряется либо в Бодах, либо в бит/с. Значение в Бодах определяет частоту следования тактов: Бод = 1/Т ( рис. 4.14). Поскольку при квадратурной фазовой манипуляции за один такт передается два бита информации, то значение "битовой" скорости передачи будет вдвое выше значения скорости, заданной в Бодах. Если же использовать фазовую манипуляцию, при которой значение фазы может принимать 8 значений через , то за один такт будет передаваться три бита информации, а значение "битовой" скорости передачи будет втрое выше значения скорости, заданной в Бодах.

В настоящее время на практике широко используется квадратурная амплитудная модуляция (Quadrature Amplitude Modulation - QAM), когда комбинируется амплитудная и фазовая модуляции. Например, при четырех значениях амплитуды и восьми значениях фазы можно получить 32 информационных комбинации, что отображено на рис. 4.15. Из 32 кодовых комбинаций 16 являются разрешенными (затемненные точки на рис. 4.15), а остальные - запрещенными. Это сделано для лучшего распознавания на приемной стороне передаваемых кодовых комбинаций на фоне помех, поскольку на диаграмме рис. 4.15 разрешенные кодовые комбинации по возможности максимально удалены друг от друга. Такая квадратурная амплитудная модуляция с 16 кодовыми комбинациями получила название КАМ-16 (QAM-16), т.е. за один такт передается четыре бита информации. Для высокоскоростных систем разработана модуляция КАМ-64, когда за один такт передается шесть бит информации.

Рис. 4.15. Квадратурная амплитудная модуляция КАМ-16