Поддержка синхронизациимежду передатчиком и приёмником сигналов для определения момента считывания в приёмнике значения очередного битового интервала может быть реализована за счёт применения самосинхронизирующихся методов кодирования. Указанием для синхронизации приемника с передатчиком в этих методах может служить любой резкий перепад сигнала - так называемый фронт.
Требования к методам цифрового кодирования
Методы цифрового кодирования оказывают существенное влияние на качество передачи дискретных данных (надёжность и достоверность доставки сообщений, возможность обнаружения и исправления ошибок, стоимость реализации) и в значительной мере определяют требуемую пропускную способность среды передачи.
В связи с этим, к методам цифрового кодирования предъявляются следующие требования (рис.2.31):
• минимизация спектра результирующего сигнала при одной и той же битовой скорости;
• поддержка синхронизации между передатчиком и приёмником сигналов за счёт наличия свойства самосинхронизации;
• отсутствие постоянной составляющей;
• возможность обнаружения ошибок и их исправления;
• низкая стоимость реализации метода кодирования.
Минимизация спектра результирующего сигналапозволяет при одной и той же полосе пропускания канала связи передавать больший объем данных за единицу времени, например, за счёт частотного мультиплексирования и организации нескольких логических каналов в одной и той же линии связи, что обеспечивает более высокую скорость передачи данных.
Кроме того, часто к спектру сигнала предъявляется требование отсутствия постоянной составляющей, то есть наличия постоянного тока между передатчиком и приемником, поскольку применение различных трансформаторных схем гальванической развязки в электрических линиях связи препятствует прохождению постоянного тока.
Спектр результирующего сигнала зависит от:
• метода кодирования (модуляции);
• скорости модуляции, определяющей скорость передачи данных;
• состава передаваемых данных.
Отсутствие постоянной составляющейнеобходимо для поддержки синхронизации приёмника с передатчиком, а также для того, чтобы нижняя частота кодированного сигнала как можно больше отличалась от нуля, что, соответственно, уменьшает спектр сигнала и не препятствует прохождению постоянного тока при наличии трансформаторных схем гальванической развязки в электрических линиях связи.
Возможность обнаружения ошибоки их исправления -желательное, но не обязательное требование, предъявляемое к методам кодирования. Обнаружение ошибки на физическом уровне экономит время, так как приёмник отбрасывает ошибочный кадр, не ожидая полного его приёма в буфер.
Низкая стоимость реализацииметода кодирования связана с количеством уровней сигнала - чем больше уровней сигнала, тем выше стоимость реализации. Это обусловлено необходимостью применения более мощного и, следовательно, более дорогого приёмно-передающего оборудования.
Требования, предъявляемые к методам кодирования, являются взаимно противоречивыми, поэтому каждый из рассматриваемых ниже методов цифрового кодирования по сравнению с другими обладает своими достоинствами и недостатками.
Потенциальный код без возврата к нулю (NRZ)
На рис.2.32,а показан метод потенциального кодирования, называемый также кодированием без возврата к нулю - NRZ (Non Return to Zero). В этом методе высокий потенциал соответствует значению бита «1», а низкий - значению «0».
Достоинства:
• низкая частота основной гармоники: (С - битовая
скорость передачи данных), которая меньше, чем у других методов кодирования;
• наличие только двух уровней потенциала и, как следствие, простота и низкая стоимость.
Недостатки:
• не обладает свойством самосинхронизации: при передаче длинной последовательности единиц или нулей сигнал не изменяется и возможна рассинхронизация часов приёмника и передатчика;
• наличие низкочастотной составляющей не позволяет использовать этот вид кодирования в каналах связи, не обеспечивающих прямого гальванического соединения между приемником и источником.
По этим причинам в компьютерных сетях код NRZ в чистом виде не используется. Тем не менее, используются его модификации, в которых устраняют постоянную составляющую и отсутствие самосинхронизации.
Биполярный импульсный код (RZ)
Кроме потенциальных кодов в компьютерных сетях используются импульсные коды, в которых данные представлены полным импульсом или же его частью - фронтом. Наиболее простым является биполярный импульсный код, называемый также кодированием с возвратом к нулю (Return to Zero, RZ), в котором единица представлена импульсом одной полярности, а ноль - импульсом другой полярности (рис.2.32,6). Каждый импульс длится половину такта (битового интервала). В середине каждого битового интервала происходит возврат к нулевому потенциалу.
Достоинство:
• обладает свойством самосинхронизации - возврат в середине каждого битового интервала к нулевому потенциалу служит признаком (стробом) для синхронизации часов приёмника.
Недостатки:
• наличие трех уровней сигнала, что требует увеличения мощности передатчика для обеспечения достоверности приема и, как следствие, большая стоимость реализации;
• спектр сигнала шире, чем у потенциальных кодов; так, при передаче всех нулей или единиц частота основной гармоники кода будет равна С Гц, что в два раза выше основной гармоники кода NRZ.
Из-за слишком широкого спектра биполярный импульсный код используется редко.
Биполярное кодирование с альтернативной инверсией (AMI)
Одной из модификаций метода RZ является метод биполярного кодирования с альтернативной инверсией (Bipolar Alternate Mark Inversion, AMI), в котором используются три уровня потенциала - положительный, нулевой и отрицательный (рис.2.32,в). Двоичный «О» кодируется нулевым потенциалом, а двоичная «1» - либо положительным потенциалом, либо отрицательным, при этом потенциал следующей единицы противоположен потенциалу предыдущей.
Достоинства:
• ликвидируется проблема постоянной составляющей и отсутствия самосинхронизации при передаче длинных последовательностей единиц, поскольку сигнал в этом случае представляет собой последовательность разнополярных импульсов с тем же спектром, что и у кода NRZ, передающего чередующиеся нули и единицы, то есть с частотой основной гармоникой Гц;
• в целом, использование кода AMI приводит к более узкому спектру сигнала, чем для кода NRZ, а значит и к более высокой пропускной способности канала связи, в частности, при передаче чередующихся единиц и нулей частота основной гармоники Гц;
• предоставляет возможность распознавать ошибочные сигналы при нарушении чередования полярности сигналов; сигнал с некорректной полярностью называется запрещенным сигналом.
Недостатки:
• наличие трёх уровней сигнала, что требует увеличения мощности передатчика;
• наличие постоянной составляющей в сигнале в случае длинных последовательностей нулей.
Потенциальный код с инверсией при единице (NRZI)
Потенциальный код с инверсией при единице (Non Return to Zero with ones Inverted, NRZI) похож на AMI, но имеет только два уровня сигнала. При передаче нуля он передает потенциал, который был установлен в предыдущем такте, а при передаче единицы потенциал меняется на противоположный.
В локальных сетях (ЛВС Ethernet и Token Ring) до недавнего времени применялся манчестерский код (рис.2.32,г), в котором для кодирования двоичных единиц и нулей используется переход сигнала в середине каждого битового интервала:
• «1» кодируется переходом от высокого уровня сигнала к низкому;
• «О» - обратным переходом от низкого уровня сигнала к высокому. Если данные содержат подряд несколько единиц или нулей, то в
начале каждого битового интервала происходит дополнительный служебный переход сигнала.
Достоинства:
• обладает свойством самосинхронизации, так как значение потенциала всякий раз изменяется в середине битового интервала, что может служить сигналом для синхронизации приёмника с передатчиком;
• имеет только два уровня потенциала;
• спектр манчестерского кода меньше, чем у биполярного импульсного, в среднем в 1,5 раза: основная гармоника при передаче
последовательности единиц или нулей имеет частоту , а при
передаче чередующихся единиц и нулей она равна , как и у
