Каковы две причины по которым протоколы физического уровня должны использовать методы кодирования

Обновлено: 04.07.2024

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Дисциплина: ТЕХНОЛОГИИ ФИЗИЧЕСКОГО УРОВНЯ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

Методы кодирования информации в компьютерных сетях.

1. Выбор способа кодирования

2. Потенциальный код NRZ

3. Биполярное кодирование AMI

4. Потенциальный код NRZI

5. Биполярный импульсный код

Выбор способа кодирования

При выборе способа кодирования нужно одновременно стремиться к достижению

• минимизировать ширину спектра сигнала, полученного в результате кодирования;

• обеспечивать синхронизацию между передатчиком и приемником;

• обеспечивать устойчивость к шумам;

• обнаруживать и по возможности исправлять битовые ошибки;

• минимизировать мощность передатчика.

Более узкий спектр сигнала позволяет на одной и той же линии (с одной и той же

полосой пропускания) добиваться более высокой скорости передачи данных. Спектр

сигнала в общем случае зависит как от способа кодирования, так и от тактовой частоты

Важно также учитывать синхронизацию передатчика и приёмника.

Синхронизация передатчика и приемника нужна для того, чтобы приемник

точно знал, в какой момент времени считывать новую порцию информации с линии связи.

При передаче дискретной информации время всегда разбивается на такты одинаковой

длительности, и приемник старается считать новый сигнал в середине каждого такта, то

есть синхронизировать свои действия с передатчиком.

Проблема синхронизации в сетях решается сложнее, чем при обмене данными

между близко расположенными устройствами, например между блоками внутри

компьютера или же между компьютером и принтером.

На небольших расстояниях хорошо работает схема, основанная на отдельной тактирующей линии связи , так что информация снимается с линии данных только в момент прихода тактового импульса. В сетях использование этой схемы вызывает трудности из-за неоднородности характеристик проводников в кабелях.

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

В сетях для решения проблемы синхронизации применяются так называемые

самосинхронизирующиеся коды , сигналы которых несут для приемника указания о том, в

какой момент времени начать распознавание очередного бита (или нескольких битов, если

код ориентирован более чем на два состояния сигнала). Любой резкий перепад сигнала —

фронт — может служить указанием на необходимость синхронизации приемника с

При использовании синусоид в качестве несущего сигнала результирующий код

обладает свойством самосинхронизации, так как изменение амплитуды несущей частоты

дает возможность приемнику определить момент очередного такта.

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.

В то же время распознавание ошибок на физическом уровне экономит время, так как приемник не ждет полного помещения кадра в буфер, а отбраковывает его сразу при распознавании ошибочных битов внутри кадра.

Требования, предъявляемые к методам кодирования, являются взаимно

противоречивыми, поэтому каждый из рассматриваемых далее популярных методов

кодирования обладает своими достоинствами и недостатками в сравнении с другими.

Потенциальный код NRZ

Потенциальное кодирование называют также кодированием без возвращения к нулю (Non Return to Zero, NRZ).

Последнее название отражает то обстоятельство, что в отличие от других методов

кодирования при передаче последовательности единиц сигнал не возвращается к нулю в

Итак, достоинства метода NRZ.

• Метод обладает хорошей распознаваемостью ошибок (благодаря наличию двух

резко отличающихся потенциалов).

• Основная гармоника fo имеет достаточно низкую частоту (равную N/2 Гц, как

было показано в предыдущем разделе), что приводит к узкому спектру.

Теперь недостатки метода NRZ.

• Метод не обладает свойством самосинхронизации. Даже при наличии

высокоточного тактового генератора приемник может ошибиться с выбором момента

съема данных, так как частоты двух генераторов никогда не бывают полностью

идентичными. Поэтому при высоких скоростях обмена данными и длинных

последовательностях единиц или нулей небольшое рассогласование тактовых частот

может привести к ошибке в целый такт и, соответственно, считыванию некорректного

• Вторым серьезным недостатком метода NRZ является наличие низкочастотной

составляющей, которая приближается к постоянному сигналу при передаче длинных

последовательностей единиц или нулей. Из-за этого многие линии связи, не

обеспечивающие прямого гальванического соединения между приемником и источником,

этот вид кодирования не поддерживают. Поэтому в сетях код NRZ в основном

используется в виде различных его модификаций, в которых устранены проблемы плохой

самосинхронизации и постоянной составляющей.

Биполярное кодирование AMI

Одной из модификаций метода NRZ является метод биполярного кодирования с

альтернативной инверсией (Alternate Mark Inversion, AMI). В этом методе применяются

три уровня потенциала — отрицательный, нулевой и положительный.

Для кодирования логического нуля используется нулевой потенциал, а логическая единица кодируется либо положительным потенциалом, либо отрицательным, при этом потенциал

каждой новой единицы противоположен потенциалу предыдущей.

При передаче длинных последовательностей единиц код AMI частично решает

проблемы наличия постоянной составляющей и отсутствия самосинхронизации,

присущие коду NRZ. В этих случаях сигнал на линии представляет собой

последовательность разнополярных импульсов с тем же спектром, что и у кода NRZ,

передающего чередующиеся нули и единицы, то есть без постоянной составляющей и с

основной гармоникой N/2 Гц (где N — битовая скорость передачи данных).

Длинные же последовательности нулей для кода AMI столь же опасны, как и для кода NRZ — сигнал вырождается в постоянный потенциал нулевой амплитуды.

В целом, для различных комбинаций битов на линии использование кода AMI

приводит к более узкому спектру сигнала, чем для кода NRZ, а значит, и к более высокой

пропускной способности линии. Например, при передаче чередующихся единиц и нулей

основная гармоника fo имеет частоту N/A Гц.

Код AMI предоставляет также некоторые возможности по распознаванию

ошибочных сигналов. Так, нарушение строгой очередности в полярности сигналов

говорит о ложном импульсе или исчезновении с линии корректного импульса.

В коде AMI используются не два, а три уровня сигнала на линии. Дополнительный

уровень требует увеличение мощности передатчика примерно на 3 дБ для обеспечения

той же достоверности приема битов на линии, что является общим недостатком кодов с

несколькими состояниями сигнала по сравнению с кодами, в которых различают только

Потенциальный код NRZI

Существует код, похожий на AMI, но только с двумя уровнями сигнала. При

передаче нуля он передает потенциал, который был установлен на предыдущем такте (то

есть не меняет его), а при передаче единицы потенциал инвертируется на

противоположный. Этот код называется потенциальным кодом с инверсией при

единице (Non Return to Zero with ones Inverted, NRZI).

Он удобен в тех случаях, когда наличие третьего уровня сигнала весьма нежелательно, например в оптических кабелях, где устойчиво распознаются только два состояния сигнала — свет и темнота.

Код NRZI хорош тем, что в среднем требует меньше изменений сигнала при

передаче произвольной двоичной информации, чем манчестерский код, за счет чего

спектр его сигналов уже.

Однако код NRZI обладает плохой самосинхронизацией, так как при передаче длинных последовательностей нулей сигнал вообще не меняется и, значит, у приемника исчезает

возможность синхронизации с передатчиком на значительное время, что может приводить

к ошибкам распознавания данных.

Для улучшения потенциальных кодов, подобных AMI и NRZI, используются два

Первый метод основан на добавлении в исходный код избыточных битов,

содержащих логические единицы. Очевидно, что 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

Однако этот метод снижает полезную пропускную способность линии, так как

избыточные единицы пользовательской информации не несут.

информации таким образом, чтобы вероятность появления единиц и нулей на линии

становилась близкой к нулю. Устройства, или блоки, выполняющие такую операцию,

называются скрэмблерами.

При скремблировании используется известный алгоритм, поэтому приемник, получив двоичные данные, передает их на дескрэмблер, который восстанавливает исходную последовательность битов.

Биполярный импульсный код

Помимо потенциальных кодов в сетях используются и импульсные коды, в которых

данные представлены полным импульсом или же его частью — фронтом. Наиболее

простым кодом такого рода является биполярный импульсный код, в котором единица

представляется импульсом одной полярности, а ноль — другой.

Каждый импульс длится половину такта. Подобный код обладает отличными

самосинхронизирующими свойствами, но постоянная составляющая может

присутствовать, например, при передаче длинной последовательности единиц или нулей.

Кроме того, спектр у него шире, чем у потенциальных кодов. Так, при передаче всех

нулей или единиц частота основной гармоники кода равна МГц, 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.

1. Какие цели нужно стремиться достичь при выборе способа кодирования?

2. Что является наиболее важной характеристикой способа кодирования?

3. Что можно отнести к достоинствам и недостаткам кода NRZ?

Если Вы считаете, что материал нарушает авторские права либо по каким-то другим причинам должен быть удален с сайта, Вы можете оставить жалобу на материал.

Необходимо переработать изложение или добавить информацию, чтобы статья описывала более общий случай.

Физическое кодирование — способы представления данных в виде электрических или оптических импульсов.

Содержание

Иерархия кодирования

Система кодирования сигналов имеет многоуровневую иерархию.

Физическое кодирование

Самым нижним уровнем в иерархии кодирования является физическое кодирование, которое определяет число дискретных уровней сигнала (амплитуды напряжения, амплитуды тока, амплитуды света).
Физическое кодирование рассматривает кодирование только на самом низшем уровне иерархии кодирования - на физическом уровне и не рассматривает более высокие уровни в иерархии кодирования, к которым относятся логические кодирования различных уровней.
С точки зрения физического кодирования цифровой сигнал может иметь два, три, четыре, пять и т. д. уровней амплитуды напряжения, амплитуды тока, амплитуды света. Естественным становится вопрос:"Какое число уровней сигнала имеет наибольшую плотность кодирования?" Ответ на этот вопрос даёт "Теорема о наиболее экономичной системе счисления (системе кодирования)", описанная в книжке С. В. Фомина "Системы счисления", в § 14. Об одном замечательном свойстве троичной системы [1] .

Логическое кодирование

Вторым уровнем в иерархии кодирования является самый нижний уровень логического кодирования с разными назначениями.
В совокупности физическое кодирование и логическое кодирование образуют систему кодирования самого низшего уровня.

Системы кодирования

Наиболее часто используемые системы кодирования:

NRZ (Non Return Zero) — без возврата к нулю
Манчестер II
RZ (Return to Zero) — с возвратом к нулю

Системы с двухуровневым кодированием

Простейший код, обычный цифровой (дискретный) сигнал (может быть преобразован на обратную полярность или изменены уровни соответствующие нулю и единице).

Достоинства — простая реализация; не нужно кодировать и декодировать на концах. Высокая скорость передачи при заданной полосе пропускания (для обеспечения пропускной способности в 10Мбит/сек полоса пропускания составит 5 МГц, так как одно колебание равно 2 битам). Для синхронизации передачи байта используется старт-стоповый бит. Недостатки - Наличие постоянной составляющей, из за чего невозможно обеспечить гальваническую развязку с помощью трансформатора. Высокие требования к синхронизации таймеров на приемном и передающем конце - за время передачи одного байта приемник не должен сбиться больше, чем на бит.

Манчестерский код

Получил наибольшее распространение в сетях с электрическими кабелями. Является самосинхронизирующимся, то есть несущим в себе синхроимпульс. Имеет два уровня. Логическому нулю соответствует положительный переход в центре бита, то есть первая половина битового интервала — низкий уровень, вторая половина — высокий. Логической единице соответствует отрицательный переход в центре бита. Обязательное наличие перехода в центре бита позволяет легко выделить синхросигнал. Допустимое расхождение часов — до 25 %. При передаче цепочки бит из одних нулей или единиц необходима частота в 10 МГц при скорости в 10 Мбит/сек. Важным достоинством манчестерского кода является возможность обеспечить гальваническую развязку с помощью трансформатора, так как у него отсутствует постоянная составляющая.

NRZI — Non Return to Zero Invertive (инверсное кодирование без возврата к нулю). Этот метод является модифицированным методом Non Return to Zero (NRZ), где для представления 1 и 0 используются потенциалы двух уровней. В коде NRZ I также используется 2 потенциала, но его текущее значение зависит от предыдущего. Если текущее значение бита “1”, то полученный потенциал должен быть инверсией от предыдущего, если значение бита “0” — такой же.

Поскольку код незащищен от долгих последовательностей “нулей” или “единиц”, то это может привести к проблемам синхронизации. Поэтому перед передачей, заданную последовательность битов рекомендуется предварительно закодировать кодом предусматривающим скремблирование (скремблер предназначен для придания свойств случайности передаваемой последовательности данных с целью облегчения выделения тактовой частоты приемником). Используется в Fast Ethernet 100Base-FX и 100Base-T4.

Системы с трёхуровневым кодированием

Это трехуровневый код. После значащего уровня сигнала в первой половине передаваемого бита информации следует возврат к нулевому уровню. Переход к нему происходит в середине бита. Логическому нулю при этом соответствует положительный импульс, логической единице — отрицательный. Здесь на 1 бит приходится 2 изменения уровня напряжения, поэтому для скорости в 10 Мбит/сек требуется пропускная способность в 10 МГц.

MLT-3 Multi Level Transmission — 3 (многоуровневая передача) — немного схож с кодом NRZ, но в отличие от последнего имеет три уровня сигнала. Единице соответствует переход с одного уровня сигнала на другой, причем изменение уровня сигнала происходит последовательно с учетом предыдущего перехода. При передаче “нуля” сигнал не меняется.

Этот код, так же как и NRZ нуждается в предварительном кодировании. Используется в Fast Ethernet 100Base-TX.