связь и сетевые технологии
Синхронизация передачи данных: |
биполярном кодировании, при та |
||||
|
|
||||
способы кодирования |
кой же амплитуде сигнала, равной |
||||
А (рис. 2, б)! |
|
||||
|
|
Во вторых, униполярные сигналы |
|||
Мы начинаем публикацию избранных глав из новой книги |
всегда |
содержат постоянную со |
|||
ставляющую и значительную долю |
|||||
«Компоненты телекоммуникационных систем. Анализ инженерных |
|||||
низкочастотных компонентов в спек |
|||||
решений», которую в настоящее время готовит к печати |
тре при передаче длинных последо |
||||
издательство «Эко Трендз». Книга написана известным практически |
вательностей единиц. Это препятст |
||||
каждому, кто занимается цифровой электроникой, автором |
вует передаче сигналов через транс |
||||
Борисом Владимировичем Шевкоплясом в соавторстве |
форматоры или конденсаторы. |
||||
с С. М. Сухманом и А. В. Берновым. В ней рассмотрены примеры |
В третьих, ретрансляторы и при |
||||
построения телекоммуникационных систем, отдельных устройств |
емники надежно восстанавливают |
||||
синхронизирующую |
временную |
||||
и их составных частей. В ближайших номерах мы планируем |
|||||
сетку |
только тогда, |
когда паузы |
|||
опубликовать три главы этой книги, представляющие, на наш |
|||||
между |
изменениями |
сигнала не |
|||
взгляд, наибольший интерес для подготовленных читателей. Первая |
|||||
слишком велики. Изменение сигна |
|||||
них посвящена рассмотрению способов кодирования сигнала при |
|||||
ла после незначительной паузы |
|||||
передаче, вторая — вопросам выделения синхросигнала и данных |
|||||
позволяет всякий раз корректиро |
|||||
из канала связи, а третья — рассмотрению практических решений |
вать «ход часов» ретранслятора или |
||||
синхронизации передачи данных. |
|
приемника. С увеличением паузы |
|||
Основные методы |
|
надежность «службы времени» па |
|||
Алгоритмы работы передатчика, |
дает. Например, после передачи |
||||
кодирования цифровой |
ретранслятора и приемника опре |
серии из 10 тыс. нулей приемник, |
|||
информации |
деляются выбранным кодом, пред |
вероятнее всего, не сможет точно |
|||
для ее передачи |
назначенным для передачи по ли |
определить, находится ли последу |
|||
по последовательным |
нии, который называют линейным |
ющая единица на позиции 9999, |
|||
кодом. |
10000 или 10001. То же относится |
||||
каналам связи |
|||||
Униполярный код NRZ |
и к передаче длинных цепочек из |
||||
|
|||||
|
Простейшим линейным кодом яв |
лог. 1. Другими словами, при пере |
|||
Структура последовательного |
ляется униполярный код типа NRZ |
даче достаточно большой последо |
|||
канала связи |
(Non Return to Zero), который иллю |
вательности нулей или единиц при |
|||
Передача информации между до |
стрирует рис. 2, а. В этом коде нули |
емник (или ретранслятор) теряет |
|||
статочно удаленными устройствами |
представлены отсутствием импуль |
синхронизацию с передатчиком |
|||
требует представления ее в виде по |
са (напряжение, близкое нулю), |
(или ретранслятором). |
|||
следовательного потока битов, ха |
а единицы — наличием импульса |
И последний, четвертый недоста |
|||
рактеристики которого зависят от |
(некоторое положительное напря |
ток — отсутствие возможности опе |
|||
особенностей конкретной системы. |
жение). |
ративной регистрации ошибок, та |
|||
Физической основой такой системы |
Этот код имеет четыре недостат |
ких как пропадание или появление |
|||
является линия связи, которая обыч |
ка. Во первых, средняя мощность, |
лишних импульсов из за помех. |
|||
но выполнена в виде витой пары про |
выделяемая на нагрузочном рези |
Биполярный код NRZ |
|||
водов, коаксиального кабеля либо |
сторе R (на рисунке не показан), |
Биполярный сигнал NRZ (рис. 2, б) |
|||
оптического световода. |
равна А2/2R, где А — амплитуда |
обладает лучшими энергетическими |
|||
В зависимости от расстояния |
импульса напряжения. Число 2 |
характеристиками. Единица пред |
|||
данные, передаваемые по линии, |
в знаменателе дроби соответству |
ставлена положительным уровнем |
|||
могут однократно или многократ |
ет равновероятному появлению |
напряжения, нуль — отрицатель |
|||
но подвергаться ретрансляции |
лог. 0 и лог. 1 в потоке данных. Ре |
ным. Нагрузочный резистор R в дан |
|||
с целью восстановления амплиту |
зультат неутешительный. Резистор |
ном случае постоянно рассеивает |
|||
ды и временных характеристик |
R рассеивает тепловую энергию |
тепло, так как на нем, независимо от |
|||
(рис. 1) [1]. |
в два раза интенсивнее, чем при |
передаваемого кода, присутствует |
Рис. 1. Структура типового последовательного канала связи |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
связь и сетевые технологии |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
приходится платить удвоением тре |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
буемой частотной полосы связной |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
аппаратуры. Поэтому код «Манчес |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
тер II» широко используется там, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где частотные ограничения не явля |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ются определяющими. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Код AMI |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Второй способ введения избы |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
точности связан с |
добавлением |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
дополнительных |
электрических |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
уровней, в простейшем случае — |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
третьего, «нулевого» уровня. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
На рис. 2, г приведена форма сиг |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
нала с попеременной инверсией |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
знака, так называемого AMI сигна |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ла (Alternative Mark Inversion). Нули |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
кодируются отсутствием импуль |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
сов, а единицы — попеременно по |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ложительными и отрицательными |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
импульсами. Постоянная составля |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ющая сигнала AMI равна нулю. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Поэтому при передаче длинной по |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
следовательности единиц синхро |
|
Рис. 2. Передача информации с помощью наиболее распространенных линейных |
низация не теряется. Но синхрони |
||||||||||
кодов: а — униполярный код NRZ; б — биполярный код NRZ; в — код «Манчестер9II»; г |
зация нарушается при передаче |
||||||||||
— код AMI; д — код B3ZS; е — код B6ZS; ж — код HDB3; затемненными |
|
|
длинной последовательности ну |
||||||||
прямоугольниками выделены «заготовки» |
|
|
|
|
|
лей, как и в коде NRZ. |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Обнаруживаются ошибки, наруша |
|
напряжение А/2 той или иной поляр |
обходимости изменяет значение, |
ющие правильную последователь |
|||||||||
ности. Средняя мощность, выделяе |
«готовясь» к отображению очеред |
ность знакочередующихся сигналов. |
|||||||||
мая на нагрузочном резисторе, рав |
ного бита в середине следующего |
Коды BNZS, HDB3 |
|||||||||
на (А/2)2/R = А2/4R, то есть половине |
битового интервала. |
|
Потеря синхронизации при пере |
||||||||
средней |
мощности |
униполярного |
С помощью кода «Манчестер II» |
даче длинной последовательности |
|||||||
сигнала, хотя перепад уровней тот |
решаются сразу все отмеченные |
нулей предотвращается таким об |
|||||||||
же самый. |
|
|
|
ранее проблемы. Поскольку число |
разом: цепочки нулей передатчик |
||||||
Таким |
образом, |
первый |
из |
положительных и отрицательных |
заменяет определенными «заго |
||||||
отмеченных |
ранее |
недостатков |
импульсов на любом достаточно |
товками», которые представляют |
|||||||
униполярного сигнала NRZ в ка |
большом отрезке времени равно |
собой «куски» стандартных времен |
|||||||||
кой то мере удалось устранить. |
или отличается не более чем на |
ных диаграмм. Коды AMI, в которых |
|||||||||
Но остальные три недостатка со |
один импульс, что не имеет значе |
цепочка из N нулей заменяется оп |
|||||||||
храняются. Для их ликвидации не |
ния, |
постоянная |
составляющая |
ределенной подстановкой, называ |
|||||||
обходимо введение избыточности |
равна нулю. |
|
|
|
ются BNZS кодами (Bipolar with N |
||||||
одним из двух способов: |
|
Подстройка часов приемника или |
Zeroes Substitution). |
|
|||||||
1) скорость передачи сигналов по |
ретранслятора производится при |
В коде B3ZS (рис. 2, д) каждые |
|||||||||
линии выбирается большей, чем |
передаче каждого бита, т. е. снима |
три последовательно расположен |
|||||||||
скорость |
передачи |
информации |
ется проблема потери синхрониза |
ные нуля подменяются либо комби |
|||||||
без использования дополнитель |
ции при передаче длинных цепочек |
нацией B0V, либо |
00V. Символ |
||||||||
ных электрических уровней сигна |
нулей или единиц. |
|
|
В обозначает импульс, который от |
|||||||
лов; |
|
|
|
|
Спектр сигнала содержит только |
вечает правилам кодирования AMI. |
|||||
2) скорость передачи сигналов по |
две логические составляющие: F |
Символ V обозначает импульс, ко |
|||||||||
линии выбирается равной скорости |
и 2F, где F — скорость передачи ин |
торый нарушает правила кодирова |
|||||||||
передачи информации, но вводят |
формационных |
битов. |
Наличие |
ния AMI (совпадает по полярности |
|||||||
ся дополнительные электрические |
только двух (а не трех или более) |
с предыдущим). |
|
||||||||
уровни сигналов. |
|
|
электрических |
уровней |
сигнала |
Выбор одной из этих двух «заго |
|||||
Код «Манчестер II» |
|
позволяет надежно их распозна |
товок» производится так, чтобы, во |
||||||||
Примером кода с избыточностью, |
вать |
(хорошая |
помехозащищен |
первых, число импульсов В между |
|||||||
введенной согласно только что упо |
ность). |
|
|
|
двумя последовательно располо |
||||||
мянутому первому способу, являет |
Критерием ошибки может являть |
женными импульсами V было не |
|||||||||
ся код «Манчестер II». Форма бипо |
ся «замораживание» сигнала на |
четным, а во вторых, чтобы поляр |
|||||||||
лярного сигнала при передаче кода |
одном уровне на время, превышаю |
ность импульсов V чередовалась. |
|||||||||
«Манчестер II» показана на рис. 2, в. |
щее время передачи одного ин |
В коде B6ZS (рис. 2, е) каждые |
|||||||||
Единица кодируется отрицательным |
формационного бита, поскольку, |
шесть последовательных нулей под |
|||||||||
перепадом сигнала в середине би |
независимо от передаваемого ко |
меняются комбинацией 0VB0VB. |
|||||||||
тового интервала, нуль — положи |
да, |
сигнал всегда |
«колеблется» |
Коды BNZS получили широкое |
|||||||
тельным перепадом. На границах |
и никогда не «замирает». Но за эти |
распространение в компьютерных |
|||||||||
битовых интервалов сигнал при не |
чрезвычайно полезные |
качества |
сетях США и Канады: линии Т1 — |
связь и сетевые технологии |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
ный логической схемой L1 в преды |
|||
|
|
|
|
дущем битовом интервале. С не |
|||
|
|
|
|
значительной |
задержкой, доста |
||
|
|
|
|
точной для надежной фиксации ко |
|||
|
|
|
|
да в регистре RG1, на вход |
|||
Рис. 3. Временная диаграмма сигнала в линии |
передатчика подается очередной |
||||||
|
|
|
|
бит DATA. Далее на протяжении би |
|||
1,544 Мбит/с, Т1С — 3,152 Мбит/с, |
спектра сигнала. Напомним, что код |
тового интервала на входах логиче |
|||||
LD 4 — 274,176 Мбит/с, Т4 — |
«Манчестер II» имеет ограниченную |
ской схемы L1 присутствует резуль |
|||||
274,176 Мбит/с. В странах Запад |
область применения. Да и его деши |
тат обработки предыдущего бита |
|||||
ной Европы широко используется |
фрация сравнительно сложна. |
(код, отображающий предыдущее |
|||||
код HDB3 для работы на скоростях |
В системе передачи данных при |
состояние передатчика) и очеред |
|||||
2,048 и 8,448 Мбит/с. Этот код |
менено трехуровневое кодирова |
ной бит данных. Логическая схема |
|||||
очень похож на BNZS, поскольку |
ние сигнала. Как и в других кодах, |
L1 на основе анализа входной ком |
|||||
максимально допустимое число ну |
между двумя проводами линии мо |
бинации сигналов формирует двух |
|||||
лей, стоящих в цепочке, равно трем. |
жет присутствовать отрицательное, |
разрядный код, который определя |
|||||
Каждые четыре последовательно |
нулевое или положительное напря |
ет новое состояние передатчика. |
|||||
расположенных нуля подменяются |
жение, сокращенно U = –1, U = 0, |
В зависимости от сочетания сигна |
|||||
комбинацией 000V либо B00V. Вы |
U = +1. Но данное решение инте |
лов на выходе логической схемы L1 |
|||||
бор той или иной комбинации про |
ресно тем, что созданы «гарантии» |
формирователь S трехуровневого |
|||||
изводится так, чтобы, во первых, |
изменения уровня сигнала при пе |
сигнала выдает в провода линии ну |
|||||
число импульсов В между двумя по |
реходе от одного битового интер |
левое, положительное или отрица |
|||||
следовательными импульсами V |
вала к другому независимо от вида |
тельное напряжение. |
|||||
было нечетным и, во вторых, чтобы |
передаваемой последовательности |
Переходы передатчика между |
|||||
полярность импульсов V чередова |
битов, что подтверждается времен |
тремя возможными состояниями |
|||||
лась (рис. 2, ж). |
|
ной диаграммой на рис. 3. |
можно проследить по диаграмме, |
||||
Существуют также другие рас |
В этой диаграмме встречаются |
приведенной на рис. 5. |
|||||
пространенные |
коды, такие как |
все сочетания соседних битов (00, |
Передатчик |
может находиться |
|||
CMI, PST, 4B3T и т. п. Все они явля |
01, 10, 11) и их однородные цепоч |
в трех состояниях, выделенных на |
|||||
ются разновидностями кодов AMI |
ки (1111 и 000). Тем не менее сиг |
рис. 5 кружками. Эти состояния |
|||||
и созданы с целью минимизации |
нал всегда изменяется при перехо |
обозначены в соответствии с при |
|||||
требований к полосе пропускания |
де от одного битового интервала |
нятыми ранее сокращениями. |
|||||
каналов связи и увеличения обна |
к другому. На первый взгляд, неяс |
Стрелками обозначены переходы |
|||||
руживающей способности по отно |
но, каким образом был достигнут |
из одного состояния в другое. Циф |
|||||
шению к ошибкам при передаче ин |
столь примечательный результат. |
ра 0 или 1 около стрелки соответст |
|||||
формации. |
|
Но вскоре мы убедимся, что прави |
вует |
значению очередного бита |
|||
Трехуровневое кодирование |
ла кодирования и декодирования |
DATA. Из рис. 5 следует, что при пе |
|||||
сигнала с гарантированным |
очень просты. |
редаче цепочки битов 111...1 траек |
|||||
изменением уровней между |
Как следует из рис. 4, передатчик |
тория переходов по диаграмме со |
|||||
соседними битовыми |
содержит двухразрядный регистр |
ответствует движению по часовой |
|||||
интервалами |
|
RG1, логическую схему L1 и форми |
стрелке, а при передаче цепочки |
||||
Как следует из вышесказанного, |
рователь S трехуровневого сигна |
000...0 — движению в обратном на |
|||||
для |
надежного |
восстановления |
ла. Приемник содержит преобразо |
правлении. Передача «случайных» |
|||
«синхросетки» приемником жела |
ватель R трехуровневого сигнала |
данных сопровождается «блуждани |
|||||
тельно так закодировать данные, |
в двухуровневые (лог. 0, лог. 1), |
ем» между тремя состояниями. Сле |
|||||
чтобы сигнал изменялся как можно |
двухразрядный регистр RG2 и логи |
довательно, не бывает ситуаций, |
|||||
чаще, в идеальном случае — в каж |
ческую схему L2. |
при которых одно и то же состояние |
|||||
дом битовом интервале. Эта цель, |
В начале очередного битового |
повторяется в соседних тактах. |
|||||
как было показано, достигается при |
интервала по фронту синхросигна |
Преобразователь R трехуровне |
|||||
использовании кода «Манчестер II» |
ла CLK в регистре RG1 фиксируется |
вого |
сигнала |
в |
двухуровневые |
||
(и подобных ему) ценой расширения |
двухразрядный код, сформирован |
(рис. 4) формирует двухразрядный |
Рис. 4. Система передачи данных |
связь и сетевые технологии
Рис. 5. Диаграмма состояний передатчика |
|
|
Рис. 6. Диаграмма состояний приемника |
|||
|
|
|
|
|
|
|
код текущего |
состояния сигнала |
Предположим, что ранее приня |
недопустимо. Чтобы избежать это |
|||
в линии и выделяет синхросигнал на |
тое и текущее состояния треху |
го, можно применить скремблиро |
||||
основе регистрации фронтов им |
ровневого сигнала соответствуют |
вание данных на входе передатчика |
||||
пульсов. В начале очередного бито |
показанным на рис. 6. Непосред |
и их дескремблирование на выходе |
||||
вого интервала в регистре RG2 фик |
ственный переход между этими |
приемника. Напомним, что приме |
||||
сируется |
предыдущее состояние |
состояниями возможен только при |
нение этих операций позволяет по |
|||
линии, так что логическая схема L2 |
приеме единичного бита. Поэтому |
лучить «псевдослучайный» поток |
||||
оперирует предыдущим и текущим |
на выходе логической схемы L2 |
битов, в котором устранены неже |
||||
состояниями трехуровневого сиг |
формируется сигнал DATA' = 1. |
лательные закономерности их че |
||||
нала. В зависимости от их комбина |
Особенность этой схемы кодиро |
редования. |
||||
ции можно сделать однозначный |
вания/декодирования состоит в том, |
Борис Шевкопляс, |
||||
вывод о том, какой бит (лог. 0 или |
что при передаче цепочки битов ви |
Сергей Сухман, |
||||
лог. 1) поступил на вход приемника. |
да 010101... в зависимости от пре |
Аркадий Бернов, |
||||
Декодирование сигналов в при |
дыстории может случиться так, что |
borissh@zelmail.ru |
||||
емнике поясняется той же диа |
все импульсы будут иметь одинако |
www.zelax.ru |
||||
граммой, |
что |
и предыдущая, |
вую полярность. Это означает, что |
АО Зелакс |
||
но с несколько иной интерпрета |
в сигнале появится постоянная со |
Продолжение следует |
||||
цией событий (рис. 6). |
ставляющая, что для многих систем |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|