Кодирование информации в компьютерных сетях Виды кодов Люосев

Кодирование информации в компьютерных сетях. Виды кодов. Люосев Дмитрий

Введение При передаче дискретных данных по каналам связи применяются два основных типа физического кодирования ― на основе синусоидального несущего сигнала и на основе последовательности прямоугольных импульсов. Первый способ часто называется также модуляцией или аналоговой модуляцией, второй – цифровым кодированием. Различия: • ширина спектра результирующего сигнала; • сложность аппаратуры, необходимой для их реализации.

Аналоговая модуляция применяется для передачи дискретных данных по каналам с узкой полосой частот, типичным представителем которых является канал тональной частоты, представляемый в распоряжение пользователям общественных телефонных сетей. При физическом кодировании способом аналоговой модуляции информация кодируется изменением амплитуды, частоты или фазы синусоидального сигнала несущей частоты.

Цифровое кодирование Цели кодирования: • наличие при одной и той же битовой скорости наименьшей ширины спектра результирующего сигнала; • обеспечение синхронизации между передатчиком и приёмником; • обладание способностью распознавать ошибки; • обладание низкой стоимостью реализации.

Модуляционные коды На рис. показано несколько широко используемых кодов модуляции. Каждому биту данных ставится в соответствие определённый период сигнала, который контролируется таймером. Таймером служит постоянная цепочка импульсов, задающая временной интервал для основной системы.

Особенности модуляционных кодов Формат Символов в бите Внутренняя Коэффициент синхронизация заполнения (%) NRZ 1 Нет 0 -100 RZ 2 Нет 0 -50 NRZI 1 Нет 0 -100 2 Да 50 Миллер 1 Да 33 -67 BIPHASE-M 2 Да 50 Манчестер (BIPHASE-L)

МЕТОДЫ КОДИРОВАНИЯ

Биполярный импульсный код Кроме потенциальных кодов в сетях используются импульсные коды, когда данные представлены полным импульсом или же его частью. Наиболее простым случаем такого под хода является биполярный импульсный код, в ко тором единица представлена импульсом одной по лярности, а ноль – другой Каждый им пульс длится половину такта. . Достоинства кода: q обладает отличными самосинхронизирующимися свойствами; q спектр шире, чем у потенциальных кодов. Недостатки: q спектр у него шире, чем у потенциальных кодов. Из-за слишком широкого спектра биполярный используется редко. им пульсный код

Код Манчестер Каждый такт делится на две части. Информация кодируется пе репадами потенциала, происходящими в середи не каждого такта. Единица кодируется перепадом от низкого уровня сигнала к высокому, а ноль - об ратным перепадом. Так как сигнал изменяется, по крайней мере, один раз за такт передачи одного бита дан ных, то манчестерский код обладает хорошими самосинхронизирующимися свойствами, но в отли чиеот кода RZ имеет не три, а только два уровня, что улучшает его помехозащищённость. Достоинства кода «Манчестера» q Легко выделить синхросигнал, это даёт возможность передавать информацию очень большими пакетами без потерь из-за рассинхронизации; q в сигнале отсутствует постоянная составляющая, что позволяет при менять для гальванической развязки импульсные трансформаторы; q не требуется дополни тельного источника питания для линии связи; q легко решается проблема согласования.

Код Миллер В коде Миллер каждая 1 представляется изме нением уровня сигнала в середине периода бита. Для представления 0 используется либо отсутст виеизменения уровня сигнала, если он следует после 1, либо изменение в начале периода если он следует за 0.

Код Biphase-M В коде Biphase-M (модифицированный двух фазный) каждый период бита начинается с изме нения уровня сигнала. Для представления 1 ис пользуется дополнительное изменение в середи-не периода. Для представления 0 никаких дополнительных изменений не выполняется. Таким обра зом, 1 представляется как высоким, так и низким уровнем сигнала в течение периода. Для пред ставления 0 используется либо низкий, либо вы сокий уровень сигнала в течение всего битового периода (но не оба уров-ня одновременно).

Код NRZ Метод потенциального кодирования NRZ (Non Return to Zero – без возврата к нулю) – простейший код, представляющий собой обычный цифровой сигнал (правда, код может быть преобразован на обратную полярность или изменены уровни, соот ветствующие нулю и единице) аналогичен "нор мальным" цифровым данным. При передаче по следовательности единиц сигнал не возвращается к нулю в течение такта. Достоинства кода NRZ q простая реализация q минимальная требуемая при данной скорости пе редачи пропускная способность линии связи. На иболее частое изменение сигнала в сети будет при непрерывном чередовании единицы и нуля, то есть при 101010. . . , поэтому при скорости пе редачи в 10 Мбит/с (длительность одного бита 100 нс) частота изменения сигнала и, соответственно, требуемая пропускная способность линии соста вит 5 МГц. Период равен двум битам информации.

Код NRZ Недостатки кода NRZ q не обладает свойством самосинхрони зации ; q наличие низкочас тотнойсоставляющей. Для синхронизации начала приёма пакета ис пользуется стартовый служебный бит, чей уро вень отличается от пассивного состояния линиисвязи. Применяется в стандарте RS-232 C. Передача информации в нём ведётся байтами (8 бит), сопро вождаемыми стартовым и стоповым битами. В чистом виде код NRZ в сетях не используется, но используются его различные модификации. Одной из модификаций метода NRZ является метод биполярного кодирования с альтернатив ной инверсией ( ipolar Alternate Mark Inversion- AMI) B

Код AMI В этом методе используются три уровня потенциала – отрицательный, нулевой и положительный. Для кодирования логического нуля используется нулевой потенциал, а логичес кая единица кодируется либо положительным по тенциалом, либо отрицательным, при этом потен циалкаждой новой единицы противоположен по тенциалу предыдущей. Частично ликвидирует проблемы по стоянной составляющей и отсутствия самосин хронизации, присущие коду NRZ. Это происходит при передаче длинных последовательностей еди ниц В этих случаях сигнал на линии представля ет со. бой последовательность разнополярных им пульсов с тем же спектром, что и у кода NRZ, пере дающегочередующиеся нули и единицы, то есть без постоянной составляющей и с основной гар моникой. N/2 Гц (где N – битовая скорость передачи данных). Длинные же последовательности нулей также опасны для кода AMI, как и для кода NRZ – сигнал вырождается в постоянный потенциал ну левой амплитуды.

Код RZ 1. Код RZ представляет 0 в виде сигнала низкого уровня. Для представления 1 – уровень сигнала высокий в течение половины периода би та, азатем становится низким в оставшейся час ти периода. 2. Трёхуровневый код, в котором после значащего уровня сигнала в первой полови не передаваемого бита информации следует воз врат к некоему "нулевому" уровню (например, со ответствующему нулевому потенциалу). Переход к нему происходит в середине бита. Логическому нулю при этом соответствует положительный им пульс, логической единице – отрицательный (или наоборот). Наиболее час то код RZ используется в оптоволоконных сетях. Правда, в них нетположительных и отрицатель ных уровней сигнала, поэтому использует ся три уровня: отсутствие света, "слабый" свет, "сильный" свет (даже когда нет передачи инфор мации, свет все равно есть, что позволяет легко определить целостность оптоволоконной линии связи).

Koд NRZI Код NRZI (Non Return-to-Zero - inverted, инвер тированный без возврата к нулю). Этот код, похож на AMI, но только с двумя уровнями сигнала. При передаче нуля он передаёт потенциал, который был установлен в предыдущем такте (то есть не меняет его), а при передаче единицы потенциал инвертируется на противоположный. Важным моментом является то, что не существует задан ного соотношения между 1 и 0, а также между вы соким и низким уровнями. Бинарная единица мо жет быть представлена как высоким уровнем сиг нала, так и низким. Для совершенствования потенциальных кодов AMI и NRZI, используются два метода (избыточное кодирование и скремблирование).

Кодирование 4 В/5 В и 4 В/8 В Схемы избыточной кодировки информации. 4 -битовые блоки информации кодируются в 5 -битовые слова или 8 -битовые блоки – соответственно в 10 -битовые слова. Исходный код Результирующий код 0000 11110 10010 0001 010011 0010 1010 10110 0011 10101 10111 0100 01010 11010 01011 11011 0110 011100 01111 11101 Буква "В" в названии кода означает, что элементарный сигнал имеет 2 состояния (от английского binary – двоичный). Использование таблицы перекодировки является очень простой операцией, поэтому этот подход не усложняет сетевые адаптеры и интерфейсные блоки коммутаторов и маршрутизаторов.

Кодирование 4 В/5 В и 4 В/8 В Системы кодирования 4 В/5 В и NRZI уровня PHY

Кодирование 4 В/5 В и 4 В/8 В После выполнения кодирования данных 4 В/5 В происходит дальнейшее, теперь уже побитовое, кодирование NRZI.

Скремблирование Перемешивание данных скремблером передачей их в линию с помощью потенциального кода. Методы скремблирования заключаются в побитном вычислении результирующего кода на основании бит исходного кода и полученных в предыдущих тактах бит результирующего кода. Предварительное "перемешивание" исходной информации осуществляется таким образом, чтобы вероятность появления единиц и нулей на линии становилась близкой. Различные алгоритмы скремблирования отличаются количеством слагаемых, дающих цифру результирующего кода, и сдвигом между слагаемыми. На-пример, в сетях ISDN при передаче данных от сети к абоненту используется преобразование со сдвигами в 5 и 23 позиции, а при передаче данных от абонента в сеть – со сдвигами 18 и 23 позиции.

Скремблирование Для улучшения кода Bipolar AMI используются два метода, основанные на искусственном искажении последовательности нулей запрещёнными символами. Код B 8 ZS исправляет только последовательности, состоящие из 8 нулей. Код B 8 ZS построен так, что его постоянная составляющая равна нулю при любых последовательностях двоичных цифр. Код HDB 3 исправляет любые четыре подряд идущих нуля в исходной последовательности. Улучшенные потенциальные коды обладают достаточно узкой полосой пропускания для любых последовательностей единиц и нулей, которые встречаются в передаваемых данных. Этим объясняется применение потенциальных избыточных и скремблированных кодов в современных технологиях, вместо манчестерского и биполярного импульсного кодирования.

ОСОБЕННОСТИ КОДИРОВАНИЯ ПРИ ПЕРЕДАЧЕ ПО ВИТОЙ ПАРЕ

Схема кодирования МLТ-3 Эта схема реализует трёхуровневый выходной сигнала (+1, 0, -1). Схема аналогична NRZI в том, что перепады уровня в выходном сигнале происходят только тогда, когда на вход поступает 1. Причём, направление перехода из нулевого состояния в положительное или отрицательное определяется предысторией. Максимальное число перепадов на выходе кодера имеет место тогда, когда на вход подаётся последовательность из единиц.

Спасибо за внимание.