Подключение линий связи | Кодировка сигналов | Методы цифровой кодировки

Согласование, экранирование и гальваническая развязка линий связи

Электрические линии связи (крученные пары, коаксиальные кабели) требуют проведения специальных мер, без которых невозможна не только безошибочная передача данных, но и вообще любое функционирование сети. Оптоволоконные кабели решают все подобные проблемы автоматически.

Согласование электрических линий связи применяется для обеспечения нормального прохождения сигнала по длинной линии без перекручиваний. Следует отметить, что в локальных сетях кабель работает в режиме длинной линии даже при минимальных расстояниях между компьютерами, потому что скорости передачи информации и частотный спектр сигнала очень большие.
Принцип согласования кабеля простой: на его концах необходимо установить резисторы, которые согласуют (терминатори) с сопротивлением, равным волновому сопротивлению используемого кабеля.

Как уже упоминалось, волновое сопротивление – это параметр данного типа кабеля, который зависит только от его устройства (пересечения, количества и формы проводников, толщины и материала изоляции и так далее). Величина волнового сопротивления обязательно указывается в сопроводительной документации на кабель и составляет обычно от 50-100 Ом для коаксиального кабеля, до 100-150 Ом для крученный пары или плоского многодротового кабеля. Точное значение волнового сопротивления легко можно измерять с помощью генератора прямоугольных импульсов и осциллографа именно по отсутствию перекручивания формы переданного по кабелю импульса. Обычно нужно, чтобы отклонение величины резистора, не превышало 10% в ту или другую сторону.

Если нагружающее сопротивление Rнменьше волнового сопротивления кабеля Rв, то фронт переданного прямоугольного импульса на приемном конце будет затянут, если же Rн больше Rв, то на фронте будет колебательный процесс (рис. 1)

Рис. 1.  Передача сигналов по электрическом кабеле

Сетевые адаптеры, их приемники и передатчики специально рассчитываются на работу с данным типом кабеля с известным волновым сопротивлением. Поэтому даже при идеально согласованному на концах кабелю, волновое сопротивление которого существенно отличается от стандартного, сеть, скорее всего, работать не будет или будет работать с сбоями.

Здесь же стоит вспомнить о том, что сигналы с пологими фронтами передаются по длинному электрическому кабелю лучше, чем сигналы с крутыми фронтами. Их форма гораздо меньше искажается (рис. 2). Это связано с разницей величин затухания для разных частот (высокие частоты загасают сильнее). Менее всего искажается форма синусоидального сигнала, он просто уменьшается по амплитуде. Для улучшения качества передачи нередко используются трапецеидальный или колоколообразный импульсы (рис. 3), близкие за формой к полуволне синуса, для чего искусственно затаскался или сглаживаются фронты исконно прямоугольных сигналов.

Рис. 2  Затухание сигналов в электрическом кабеле

Рис. 3.  трапецеидальный и колоколообразный импульсы

Экранирование электрических линий связи применяется для снижения влияния на кабель внешних электромагнитных полей. Экран являет собой медную или алюминиевую оболочку (плетеную или из фольги), в которую укладываются провода кабеля. Экранирование будет работать, если экран заземлен, поскольку необходимо, чтобы приведены на него токи стекали на землю. Кроме того, экранирование заметно уменьшает и внешние излучения кабеля, что важно для обеспечения секретности переданной информации. Побочными полезными эффектами экранирования является увеличение прочности кабеля и трудности с механическим подключением к кабелю для подслушивания. Экран заметно повышает стоимость кабеля, но также его механическую прочность.

Снизить влияние приведенных препятствий можно и без екрана, если использовать дифференциальную передачу сигналу (рис. 4). В этом случае передача идет по двум проводам, причем оба провода являются сигнальными. Передатчик формирует протифазні сигналы, а приемник реагирует на разницу сигналов в обоих проводах. Условием согласования является равенство сопротивлений резисторов R половине волнового сопротивления кабеля Rв. Если оба провода имеют одинаковую длину и проложенные рядом (в одном кабеле), то препятствия действуют на них приблизительно одинаково, и в результате разностный сигнал между проводами практически не искажается. Именно такая дифференциальная передача применяется обычно в кабелях из крученных пар. Но экранирование и в этом случае существенно улучшает упругостойкость.

Рис. 4.  Дифференциальная передача сигналов по крученный пари

Гальваническая развязка компьютеров от сети при использовании электрического кабеля совсем необходимая. Дело в том, что по электрическим кабелям (как по сигнальным проводам, так и по экране) могут идти не только информационные сигналы, но и так называемый ток, который выравнивает, возникающий в результате неидеальности заземления компьютеров.

Когда компьютер не заземлен, на его корпусе образуется приведенный потенциал около 110 вольтов переменного тока (половина питательного напряжения). Его можно почувствовать на себе, если одною рукой взяться за корпус компьютера, а другой за батарею центрального отопления или за какой-либо заземлен прибор.

При автономной работе компьютера отсутствие заземления, как правило, не оказывает серьезного влияния на его работу. Правда, иногда увеличивается количество сбоев в работе машины. Но при соединении нескольких территориально разнесенных компьютеров электрическим кабелем заземления таит более серьезной проблемой. Если один из компьютеров, которые соединяются, заземленный, а другой нет, то возможно выход из строя одного из них или обоих. Поэтому компьютеры крайне желательно заземлять.

В случае использования трехконтактной вилки и розетки, в которых нулевой провод, это выходит автоматически. При двухконтактной вилке и розетке необходимо принимать специальные меры, организовывать заземление отдельным проведением большого пересечения. Стоит также отметить, что в случае трехфазной сети желательно обеспечить питание всех компьютеров от одной фазы.
Но проблема осложняется еще и тем, что "земля", к которой присоединяются компьютеры, обычно далека от идеала. Теоретически заземляющие проводы компьютеров должны сходиться в одном месте, соединенном короткой массивной шиной с зарытым в землю массивным проводником. Такая ситуация возможна только если компьютеры не слишком разнесены, и заземление действительно сделано грамотно. Конечно же заземлювальна шина имеет значительную длину, в результате чего стекающие по ней токи создают достаточно большую разницу потенциалов между ее отдельными точками. Особенно большая эта разница потенциалов в случае подключения к шине мощных и высокочастотных потребителей энергии.

Присоединенные к одной и той же шине, но в разных точках, компьютеры имеют на своих корпусах разные потенциалы (рис. 5). В итоге по электрическому кабелю, который соединяет компьютеры, потечет выравнивающий ток (переменный с высокочастотными составляющими).

Рис. 5   Выравнивающий ток, при отсутствии гальванической развязки

Хуже, когда компьютеры подключаются к разным шинам заземления. Выравнивающий ток, может достигать в этом случае величины в несколько ампер. Подобные токи смертельно опасны для малосигнальных узлов компьютера. Кроме того ток, который выравнивает, существенно влияет на переданный сигнал, временами полностью забивая его. Даже тогда, когда сигналы передаются без участия екрана (например, по двум проводам, заключенным в экран) в результате индуктивного действия ток, который выравнивает, мешает передаче информации. Именно поэтому экран всегда должен быть заземлен только в одной точке.

Однако если каждый из компьютеров самостоятельно заземлен, то заземление екрана в одной точке становится невозможным без гальванической развязки компьютеров от сети. Таким способом не должно быть связи по постоянном токе между корпусом ("землей") компьютера и экраном ("землей") сетевого кабеля. В то же время, информационный сигнал должен передаваться из компьютера в сеть и из сети в компьютер. Для гальванической развязки обычно применяют импульсные трансформаторы, которые входят в состав сетевого встаткування (например, сетевых адаптеров). Трансформатор пропускает высокочастотные информационные сигналы, но обеспечивает полную изоляцию по постоянном токе.

Рис. 6  Правильное соединение компьютеров сети (гальваническая развязка условно показана в виде прямоугольника)

Грамотное соединение компьютеров локальной сети электрическим кабелем обязательно должно заключать в себе следующее (рис. 6):

1. конечное согласование кабеля с помощью термінаторів;
2. гальваническую развязку компьютеров от сети;
3. заземление каждого компьютера;
4. заземление екрана (если, конечно, он есть) в одной точке.

Не стоит презирать какой-нибудь из этих требований. Например, гальваническая развязка сетевых адаптеров часто рассчитывается на допустимое напряжение изоляции всего лишь 100 В, что при отсутствии заземления одного из компьютеров может легко привести к выходу из строя его адаптера.

Следует отметить, что для присоединения коаксиального кабеля обычно применяются разнимания в металлическом корпусе. Этот корпус не должен соединяться ни с корпусом компьютера, ни с "землей" (на плате адаптера он установлен с пластиковой изоляцией от крепежной планки). Заземление екрана кабеля сети лучше делать не через корпус компьютера, а отдельным специальным проведением, которое обеспечивает лучшую надежность. Пластмассовые корпуса разниманий RJ-45для кабелей с неекранованими крученными парами снимают эту проблему.

Важно также учитывать, что экран кабеля, заземленный в одной точке, является радиоантенной с заземленным основанием. Он может улавливать и усиливать высокочастотные препятствия с длиной волны, кратной его длине. Для снижения этого "антенного эффекта" применяется многоточечное заземление екрана по высокой частоте. В каждом сетевом адаптере "земля" сетевого кабеля соединяется с "землей" компьютера через высоковольтные керамические конденсаторы. Для приклада на рис. 7 показанная упрощена схема гальванической развязки, применяемая в сетевых адаптерах Ethernet.

Рис. 7.  Схема гальванической развязки в сети Ethernet

Прийомо-передатчик прямо связан с кабелем сети, но гальванично развязан с помощью трансформаторов от компьютера и другой части сетевого адаптера. Это продиктовано особенностями протокола CSMA/CD и манчестерского кода, что применяются в Ethernet. Для обеспечения полной развязки питания прийомо-передавача осуществляется с помощью преобразователя питательного напряжения, которое имеет внутри также трансформаторную гальваническую развязку. Оплетка коаксиального кабеля соединена с общим проводом компьютера через высоковольтный конденсатор. Параллельно конденсатору включен резистор с большим сопротивлением (1 Мом), которое предотвращает электрический удар пользователя при одновременном касании им оплетений кабеля (корпуса разнимание) и корпуса компьютера.

В случае применения крученных пар все намного проще. Каждая крученная пара имеет импульсные трансформаторы, которые решают, на обоих своих концах. Ни один из проводов крученный пары не заземляется (они оба сигнальные). К тому же разнимания для крученных пар имеют пластмассовый корпус.

Кодировка сигналов

При передаче цифровой информации с помощью цифровых сигналов применяется цифровая кодировка, которая управляет последовательностью прямоугольных импульсов в соответствии с последовательностью переданных данных.
При цифровой кодировке применяют или потенциальные, или импульсных кодов.

При потенциальной кодировке информативным является уровень сигнала. При импульсной кодировке используются или перепады уровня (транзитивная кодировка), или полярность отдельных импульсов (униполярная, полярная, биполярная кодировка).

В отдельную группу импульсных кодов выделяют двухфазных кодов, при которых в каждом битовом интервале обязательно присутствует переход из одного состояния в другое (таких кодов позволяют выделять синхросигнал из последовательности состояний линии, то есть они само синхронизируют).

Требования к методам цифровой кодировки

При использовании прямоугольных импульсов для передачи дискретной информации необходимо выбрать такой способ кодировки, что одновременно достигал бы нескольких целей:

• имел при одной и той же битовой скорости наименьшую ширину спектра результирующего сигнала;
• обеспечивал синхронизацию между передатчиком и приемником;
• должен был способность распознавать ошибки;
• имел низкую стоимость реализации.

Синхронизация передатчика и приемника нужна для того, чтобы приемник точно знал, в какой момент времени необходимо считывать новую информацию из линии связи. Эта проблема 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 из линии данных только в момент прихода тактового импульса. В сетях использование этой схемы вызывает трудности через неоднородность характеристик проводников в кабелях. На больших расстояниях неравномерность скорости распространения сигнала может привести до того, что тактовый импульс придет настолько позже или ранее 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 дорогих кабелях.

Поэтому в сетях применяются так называемых кодов, что само синхронизируются, сигналы которых несут для передатчика указания о том, в какой момент времени нужно осуществлять распознавание дежурного бита (или несколько бит, если код ориентирован более чем на два состояния сигнала). Любой резкий перепад сигнала - так называемый фронт - может служить красивым указанием для синхронизации приемника с передатчиком.

Самых распространенных следующих кодов:

1. NRZ (Non-ReturntoZero– без возвращения к нулю) – потенциальный код, состояние которого прямо или инверсно отображает значение бита данных;
2. дифференциальный NRZ– состояние меняется в начале битового интервала для “1” и не меняется при “0”;
3. NRZI (Non-ReturntoZeroInverted– без возвращения к нулю с инверсией) – состояние меняется в начале битового интервала при передаче “0” и не меняется при передаче “1”. Используется в FDDI, 100BaseFX;
4. RZ(ReturntoZero– с возвращением к нулю) – биполярный импульсный код, что само синхронизируются, что представляет “1” и “0” импульсами противоположной полярности, которые длятся половину такта (во вторую половину такта состояние устанавливается в нуль); всего используется три состояния;
5. AMI (BipolarAlternateMarkInversion– биполярная кодировка с альтернативной инверсией) – используется три состояния: 0 + и –, для кодировки логического нуля используется состояние 0, а логическая единица кодируется по очереди состояниями + и –. Используется в ISDN, DSx;
6. Манчестерске кодировки (manchesterencoding) – двухфазная полярная кодировка, что самосинхронизируется, логическая единица кодируется перепадом потенциала в середине такта от низкого уровня к высокому, логический нуль - обратным перепадом (если необходимо представить два одинаковых значения кряду, в начале такта происходит дополнительный служебный перепад потенциала). Используется в Ethernet;
7. Дифференциальная манчестерская кодировка (differentialmanchesterencoding) – двухфазная полярная кодировка, что самосинхронизируется, логический нуль кодируется наличием перепада потенциала в начале такта, а логическая единица - отсутствием перепада; в середине такта перепад есть всегда (для синхронизации). В TokenRingприменяется модификация этого метода, кроме “0” и “1”, что использует служебные биты “J”и “K”, что не имеют перепад в середине такта (“J”не имеет перепад в начале такта, “K”– имеет);
8. MLT-3– трехуровневая кодировка со скремблированием без самосинхронизации, логический нуль кодируется сохранением состояния, а логическая единица кодируется по очереди следующими состояниями: +V, 0, -V, 0 +V и так далее Используется в FDDI и 100BaseTX;
9. PAM5 (PulseAmplitudeModulation) – пятиуровневая биполярная кодировка, при которой каждая пара бит данных представляется одним из пяти уровней потенциала. Применяется в 1000BaseT;
10. 2B1Q (2 Binary1 Quarternary) – пары бит данных представляются одним четвертичным символом, то есть одним из четырех уровней потенциала. Применяется в ISDN;

Рис. 8 Способы цифровой кодировки данных

Логическая кодировка

Некоторые разновидности цифровой кодировки очень чувствительны к характеру переданных данных. Например, при передаче длинных последовательностей логических нулей с помощью потенциального кода типа NRZили AMIсигнал на линии долгое время не изменяется, и приемник может ошибиться с моментом считывания дежурного бита. Для кода NRZподобные проблемы возникают и при передаче длинных последовательностей логических единиц.  Логическая кодировка (какому может поддаваться исходная последовательность данных) должна внедрять в длинные последовательности бит, биты с противоположным значением, или вообще замещать их другими последовательностями. Кроме исключения “проблемных” битовых последовательностей, логическая кодировка позволяет также увеличить кодовое расстояние между символами (для упрощения декодирования), улучшить спектральные характеристики сигнала, а кроме того передавать в общем потоке служебные сигналы.

В основном для логической кодировки применяются три группы методов:

1. вставка бит;
2. избыточная кодировка;
3. скремблирование.

Вставка бит (bitstuffing) – наиболее прямолинейный способ исключения длинных последовательностей, например, логических единиц. Если в переданной последовательности встречается непрерывная цепочка “1”, то передатчик вставляет “0” после каждой, например, пятой “1”. Приемник отбрасывает все эти лишние “0”, которые встречаются после пяти “1”. Понятно, можно проводить и обратную операцию – вставку “1” в длинные последовательности “0”. Схема вставки бит применяется, например, в протоколе HDLC.

Избыточная кодировка основана на разбивке исходной последовательности бит на участки одинаковой длины – символы. Потом каждый символ замещается (как правило, табличным способом) на новый, что имеет или большее количество бит, или другая основа системы исчисления (например, на символ, который состоит из троечных разрядов).

Среди логических кодов можно выделить:

1. Код 4B/5B замещает каждые 4 биты входного потока (исходный символ) на 5-битный исходный символ. Потому что количество разных 5-бітних символов равняется 32, а исходные символы могут содержать лишь одну из 16 битовых комбинаций (то есть избыточность равняется 32/16 = 2), среди возможных исходных кодов можно отобрать 16 “удобных” комбинаций, которые не содержат большое количество нулей (больше трех кряду), среди кодов, которые остались, выделить служебные символы (для поддержки синхронизации, выделения границь кадров и их полей и так далее), а кодов, которые остались, считать запрещенными.  

2. Табл. 1. Код 4B/5B