Передача дискретных данных на физическом уровне

Для передачи по кабелю кодированных сигналов используют две технологии – немодулированную передачу и модулированную передачу.

Немодулированные (baseband) системы передают данные в виде цифровых сигналов. Сигналы представляют собой дискретные электрические или световые импульсы. При таком способе вся емкость коммуникационного канала используется для передачи одного импульса, или, другими словами, цифровой сигнал использует всю полосу пропускания кабеля. Полоса пропускания (bandwidth) – это разница между максимальной и минимальной частотой, которую можно передать по кабелю.

Рисунок 2.3. немодулированная передача

Проходя по кабелю, сигнал постепенно затухает и, как следствие, искажается. Если кабель слишком длинный, то иногда в конце пути передаваемый сигнал искажается до неузнаваемости или вообще пропадает. Для того чтобы избежать этого, в немодулированных системах используют повторители, которые усиливают сигнал и ретранслируют его в дополнительные сегменты. Таким образом, увеличивается общая длина кабеля.

Модулированные (broadband) системы передают данные в виде аналогового сигнала, занимающего некоторую полосу частот. Сигналы кодируются аналоговой (непрерывной) электромагнитной или световой (тоже, строго говоря, электромагнитной) волной.

Если полосы пропускания достаточно, то один кабель одновременно могут использовать несколько систем (например, транслировать передачи кабельного телевидения и передавать данные).

Каждой передающей системе выделяется часть полосы пропускания. Все устройства, связанные с данной системой (например, компьютеры), должны быть настроены на работу именно с выделенной им частью полосы пропускания.

Если в немодулированных системах для восстановления сигнала используют повторители, то в модулированных – усилители (amplifiers).

В настоящее время все чаще данные, изначально имеющие аналоговую форму – речь, телевизионное изображение, - передаются по каналам связи в дискретном виде, то есть в виде последовательности единиц и нулей. Процесс представления аналоговой информации в дискретной форме называется дискретной модуляцией (цифровым кодированием).

Наиболее часто в локальных сетях используются следующие коды передачи информации (рис.2.4.):

- код без возврата к нулю (NRZ);

- код с возвратом к нулю (RZ);

- Манчестер II.

Рисунок 2.4. Наиболее распространенные коды передачи информации

Код без возврата к нулю NRZ (Non Return to Zero) – простейший код, представляющий собой обычный цифровой сигнал. К достоинствам кода NRZ относятся его очень простая реализация (исходный сигнал не надо ни кодировать на передающем конце, ни декодировать на приемном конце), а также минимальная среди других кодов требуемая при данной скорости передачи пропускная способность линии связи.

Например, наиболее частое изменение сигнала в сети будет при непрерывном чередовании единицы и нуля, то есть 1010101010…, поэтому при скорости передачи в 10 Мбит/с (длительность одного бита 100 нс) частота изменения сигнала и соответственно требуемая пропускная способность линии составит 5 МГц (рис. 2.5.). Период равен двум битам информации.

Рисунок 2.5. Скорость передачи и пропускная способность линии (код NRZ)

Самый большой недостаток данного кода – отсутствие синхронизации информации, что приводит к потере и искажению информации. Особенно это критично для больших блоков (пакетов) информации (1-2 килобайта и более). Для устранения этого недостатка можно ввести вторую линию связи для синхросигнала (рис.2.6). Но при этом длина линии связи увеличивается в 2 раза. При большой длине сети и значительном количестве абонентов это оказывается невыгодным. Поэтому код NRZ используется только для передачи коротких пакетов (обычно до 1 Кбита).

Для синхронизации начала приема пакета используется стартовый служебный бит, чей уровень отличается от пассивного состояния линии связи (например, пассивное состояние линии при отсутствии передачи – 0, стартовый бит – 1). Наиболее известное применение кода NRZ – стандарт RS-232C, последовательный порт персонального компьютера, который вполне может использоваться для организации небольших и медленных локальных сетей. Передача информации в нем ведется байтами (8 бит), сопровождаемыми стартовым и стоповым битами.

Рисунок 2.6. Последовательная передача данных

Код с возвратом к нулю RZ (Return to Zero) – этот трехуровневый код получил такое название потому, что после значащего уровня сигнала в первой половине передаваемого бита информации следует возврат к некоему «нулевому» уровню (например, соответствующему нулевому потенциалу). Переход к нему происходит в середине бита. Логическому нулю при этом соответствует положительный импульс, логической единице – отрицательный (или наоборот). Особенностью кода RZ является то, что в центре бита всегда есть переход (положительный или отрицательный), следовательно, из этого кода приемник может выделить синхроимпульс (строб). Здесь возможна привязка не только к началу пакета, как в случае кода NRZ, но и к каждому отдельному биту. Поэтому рассинхронизация не произойдет даже при очень длинных пакетах. Такие коды, несущие в себе строб, получили название самосинхронизирующихся. Недостаток кода RZ состоит в том, что требуется вдвое большая полоса пропускания канала при той же скорости передачи по сравнению с NRZ, так как здесь на 1 бит приходится 2 изменения уровня напряжения. Для скорости передачи информации 10 Мбит/с требуется пропускная способность линии 10 МГц.

Наиболее часто код RZ используется в оптоволоконных сетях. Правда, в них нет положительных и отрицательных уровней сигнала, поэтому используется три уровня: отсутствие света, «слабый» свет, «сильный» свет. Это очень удобно: даже когда нет передачи информации, свет все равно есть, что позволяет легко определить целостность оптоволоконной линии связи (рис.2.7.).

Рисунок 2.7. Использование кода RZ в оптоволоконных сетях

Код Манчестер – II или манчестерский код получил наибольшее распространение в сетях, использующих электрические кабели. Он также относится к самосинхронизирующимся кодам, но в отличие от кода RZ имеет не три, а только два уровня, что способствует его лучшей помехозащищенности. Логическому нулю соответствует положительный переход в центре бита, т.е. первая половина битового интервала – низкий уровень, вторая половина – высокий. Логической единице соответствует отрицательный переход в центре бита, что позволяет легко выделить синхросигнал, и дает возможность передавать информацию сколь угодно большими пакетами без потерь из-за рассинхронизации. Допустимое расхождение часов приемника и передатчика может достигать 25%. Как и в случае кода RZ, здесь требуется пропускная способность линии в два раза выше, чем при использовании NRZ. Для скорости передачи 10 Мбит/с требуется полоса пропускания 10 МГц.

Большое достоинство манчестерского кода – отсутствие постоянной составляющей в сигнале (половину времени сигнал положительный, другую половину – отрицательный). Это дает возможность применять для гальванической развязки импульсные трансформаторы. При этом не требуется дополнительного источника питания для линии связи (как в случае использования оптронной развязки), резко уменьшается влияние низкочастотных помех, не проходящих через трансформатор, легко решается проблема согласования.

Частотный спектр сигнала при манчестерском кодировании включает в себя только две частоты: при скорости передачи 10 Мбит/с это 10 МГц (соответствует передаваемой цепочки из одних нулей или одних единиц) и 5 МГц (соответствует последовательности из чередующихся нулей и единиц 1010101010…). Поэтому с помощью простейших полосовых фильтров можно легко отфильтровать все другие частоты (помехи, наводки).

Так же, как и при использовании кода RZ, при манчестерском кодировании очень просто детектировать занятость сети. Для этого достаточно контролировать, есть ли изменение сигнала в течение битового интервала.

Код Манчестер – II используется как в электрических кабелях, так и в оптоволоконных. В самой распространенной локальной сети Ethernet используется именно этот код.