Лекція 12. Фізичне та логічне кодування сигналів. Передача сигналів кабелями
Курс “Теорія інформації та кодування”

Тут будуть розглядатись практичні аспекти передачі сигналів кабелями. Акцент зробимо на особливостях передачі даних в локальних компютерних мережах (ЛКМ). Зокрема познайомимось із так званими фізичним і логічним кодуванням сигналів в ЛКМ, а також із особливостями передачі в лініях електрозв'язку і оптичних волокнах

Принципи синхронізації та кодування сигналів
Фізичне кодування сигналів
Логічне кодування сигналів
Особливості передачі кабелями

12.1 Принципи синхронізації та кодування сигналів

Синхронізація при передачі сигналів
Щоб запобігти розбіжності внутришнього часу Передавача та Приймача, яка може поступово накопичуватись, необхідно регулярно їх синхронізувати. Існують наступні підходи до забезпечення синхронізації (Рис.12.1):

Рисунок 12.1 Підходи до синхронізації при передач сигналів

- передача тактових сигналів синхронізації по окремій лінії зв'язку (фізичному каналу синхронізації). Такий спосіб є дорогим і на практиці використовується лише на незначних відстанях передачі (наприклад, в межах одного пристрою);

- так званий асинхронний спосіб передачі забезпечує підтримку синхронізації за рахунок використання окремих сигналів, які фіксують початок та завершення короткого кодового блоку (приклад для інтерфейсу RS-232 на рис.12.1). Такий спосіб є простим і надійним, але він суттєво знижує середню бітову швидкість передачі;

- синхронна передача виконується без спеціальних стартових та стопових сигналів. Підтримка синхронізації може виконуватись на двох основних рівнях — груповому (блоків даних) та поелементному (окремих сигналів). Існує також спосіб циклової синхнонізації, який є зовнішнім відносно блокової (його ми розглянемо пізніше);

- групова синхронізація забезпечує фіксацію меж певного блоку даних. Найпростішим способом тут є завдання довжини блоків, однак це не завжди можливо. В разі змнної довжини блоків можуть викорисовуватись коди їх початку та завершення блока (наприклад, в мережовому протоколі HDLC для цього застосовується байтовий код або “флаг” заданого формату). В ряді випадків групової синхронізації може бути достатньо;

- поелементна синхронізація забезпечує можливість виділення тактових сигналів безпосередньо із послідовності сигналів інформаційних (в такому разі їх називають ще сигналами із самосинхронізацією). Наприклад, можливість самосинхронізації мають сигнали, для яких значення гарантовано змінюється в середині такту передачі. Зазвичай така властивість пов'язана з погіршенням деяких інших параметрів сигналів (наприклад, із розширенням їх спектру).

Задачі та рівні кодування сигналів
Значна доля курсу ТІК була присвячена вивченню методів кодування даних. Зокрема: вихідному кодуванню текстових даних, звуку, зображень та відео; стисканню кода (або в термінології класичного ТІК - «кодуванню джерела повідомлень»); усуненню помилок передачі (інакше - «кодуванню канала передачі»); вивченню методів шифрування присвячені інші навчальні курси.
Наступним принципово відмінним етапом є передача повідомлень в формі сигналів. Однак тут ми теж зустрінемось із поняттям кодування (рис.12.2):

Рисунок 12.2 Етапи кодування сигналів

- кодування сигналів (використвують також терміни «лінійне кодування» або “сигнальне кодування”) — це перша стадія формування фізичних сигналів, на якій виконується пристосування до умов та вимог передачі в конкретному фізичному середовищі. Зокрема тут виділяються етапи логічного та фізичного кодування;

- фізичне кодування передбачає вибір форми імпульсних сигналів, яка повинна максимально відповідати конкретним умовам передачі. Зокрема, приоритет може віддаватись вимогам забезпечення синхронизації, усунення міжсигнальної інтерференції, використанню наявного запасу завадостійкості або, напроти — економії полоси частот каналу. При цьому такі вимоги можуть протирічити одна одній (наприклад, забезпечення самосинхронізації та усунення міжсигнальної інтерференції зазвичай пов'язане із необхідністю розширення спектру). Отже можливості конкретних способів фізичного кодування обмежені;

- логічне кодування може передувати фізичному і має за мету попередньо підготувати потік бітів, враховуючи обмеження наступного етапу. Зокрема тут вирішуються задачі покращання умов синхронізації та усунення передумов міжсигнальної інтерференції за рахунок зміни послідовності бітів у вихідному коді повідомлення. Разом з цим логічне кодування вирішує проблеми, що пов'язані із організацією протоколів обміну даними, зокрема, забезпечує вставку в потік даних службових кодових послідовностей. Рішення таких задач часто буває повязане із введенням додаткової збитковості.

Далі ми познайомимось із типовими рішеннями щодо фізичного та логічного кодування сигналів. При цьому спочатку розглянемо саме фізичне кодування, а вже потім — логічне кодування, як доповнення його можливостей. Зокрема найбільшу увагу приділемо рішенням, які широко використвуються в комп'ютерних мережах.

12.2 Фізичне кодування сигналів

Прості дворівневі потенційні сигнали (NRZ)
Найбільш простим і водночас достатньо популярним є так званий сигнал NRZ (not return to zero – без повернення до «0»). Такий сигнал не змінює значення всередині такту і його інформаційним параметром є потенціал (рис.12.3):

Рисунок 12.3 Часові діаграми NRZ-сигналу

- в базовому варіанті сигналу NRZ значенням 1 та 0 відповідають високий та низький рівні напруги на виході передавача - такий спосіб фізичного кодування є найпростішим. Біполярний варіант сигналу має перевагу перед уніполярним щодо економічності використання потужності передавача (а отже і завадостійкості) і тому застосовується значно ширше. Зокрема, саме такий вигляд мають сигнали на виході мікросхем com-портів, які наприклад забезпечують обмін даними між системним блоком та клавіатурою ПК;

- «інверсна» версія NRZI реалізує принцип відносного або диференційного кодування, коли сигнал залежить не тільки від поточних даних, а й від попереднього його попереднього значення. Зокрема на рис.12.3 показаний варіант для уніполярного коду, коли сигнал змінює значення на протилежне для наступного біту даних 1 і зберігає попереднє значення при кодуванні 0 (може використвуватись і зворотнє правило, коли сигнал змінюється при одержанні 0). Відносне кодування спрощує синхронизацію, оскільки опорним тут є попередній сигнал. Водночас, якщо при передачі станеться помилка, то вона відобразиться і на наступні розряди коду;

- до переваг сигналу NRZ належить простота реалізації та надійність (розпізнаються два альтернативні значення), а також відносно вузький спектр (сигнал заповнює весь такт передачі). Недоліками є можливість міжсигнальна інтерференція та можливість порушення синхронізації при передачі довгих однорідних послідовностей 1 або 0 (ці недоліки частково усуваються зокрема за рахунок логічного кодування).

Кодування із зміною сигналу всердині такту (RZ код та Манчестерський код)
Два основних недоліки кодування NRZ – міжсигнальну інтерференцію та відсутність самосинхронізації — усуває спосіб кодування із обов'язковою зміною сигналу всередині такту. Зокрема таку властвивість мають код RZ (із поверненням до 0) та так званий «манчестерський код» із зміною фази сигналу - рис.12.4:

Рисунок 12.4 Часові діаграми RZ- та манчестерського коду

- для RZ-коду полярність сигналу визначається значеннями даних (зокрема в прикладі на рис.12.4 0 відповідає позитивна полірність, а 1 — негативна). При цьому на відміну від NRZ-кодування активний сигнал обіймає лише половину такту, а в іншій половині його значення повертається до нейтрального (до 0). Таке рішення дає дві суттєвих переваги: виключає міжсигнальну інтеференцію і підтримує самосинхронізацію сигналів. Платою є розширення спеткру (а отже й збільшення загасання сигналів). Крім того замість двох рівнів сигналу приймач повинен рорізняти три. Останні два фактори зменшують завадостійкість. В практиці сигнали RZ використовуються в оптичних лініях зв'язку;

- при манчестерському кодуванні значення розрядів даних відображаються напрямком зміни рівню сигналу (для біполярних сигналів — їх полярності) в середині такту. При цьому якщо значення розрядів чергуються, довжина імпульсів дорівнює одному такту, а для однакових значень імпульси скорочуються до половини такту (сигнал також змінює значення на межі тактів). Гарантована зміна сигналу в середині кожного такту забезпечує можливість самосинхронізації та усуває міжсигнальну інтерференцію. При цьому на відміну від кодування RZ тут використвуються тільки два рівні сигналу, що сприяє його завадостійкості;

- недоліком такого кодування є розширення спектру сигналів за рахунок використання коротких імпульсів. В цьому сенсі манчестерський сигнал має нижчу спектральну ефективність порівняно зокрема із сигналами NRZ. Однак при передачі на відносно короткі відстані цей фактор не є значущим. Саме цьому манчестерське кодування широко використвується в локальних мережах.

Використання вузькополосних трирівневих сигналів (коди AMI та MLT-3)
При передачі сигналів на відносно великі відстані використання вузькополосних сигналів із максимальним заповненням тактів сигналів стає приоритетним. Такі задачі вирішують зокрема коди AMI та MLT-3 – рис.12.5:

Рисунок 12.5 Часові діаграми сигналів AMI та MLT-3

- для сигналів АMI (Alternate Mark Invertion) значення «1» відображаються активними сигналами, для яких чергуються полярнсті, в той час як «0» задаються паузами. При цьому забезпечуються усунення межсігнальной інтерференції і частково самосинхронізація. Можлива втрата сінронізаціі для довгої послідовності «0» усувається за рахунок "вставок" активних сигналів, які порушують правило чергування полярностей (в цьому випадку приймач не розпізнає такі вставки як такі, що несуть інформацію). AMI-сигнали (точніше - їх вдосконалені модифікації) широко застосовуються в цифровій телефонії, тобто - при передачі на великі відстані;

- для сигналів MLT-3 (Multi Level Transmission— 3) значення «1» циклічно переключають рівні +U/ 0/ -U, тодя як «0» відображаються паузами. Такий спосіб дозволяє додатково звузити спектр, що особливо важливо для передачі мідними дротами з високим загасанням (саме для таких цілей цей метод був створений Cisco Sytems). Як і у випадку NRZ для виключення довгих послідовностей нулів, для яких може порушуватись синронізація, тут використовується попереднє логічне кодування.

Кодування із зниженнями сигнальної швидкості (код 2B1Q та PAM-5)
При наявності резерву завадостійкості спектральна ефективність сигналів може бути додатково збільшена. Цю задачу вирішують способи фізичного кодування із збільшеною кількістю рівнів сигналів — рис.12.6:

Рисунок 12.6 Часові даграми сигналів 2B1Q та PAM-5

- спосіб кодування 2B1Q (2 Binary 1 Quaternary) передбачає використання чотирьох рівнів сигналів, а отже й передачу одним сигналом 2 бітів інформації. В результаті тактова частота передачі може бути знижена вдвічи і пропорційно скорочується ширина спектру. Зокрема, застосовуються значення напруги -2,5В / -0,83В / +0,83В / +2,5В, яким умовно відповідають значення -3, -1, +1 та +3 із одноковим кроком між ними. При цьому перехід на сусідній рівень сигналу відповідає зміні тільки одного біту в парі (рис.12.6);

- спосіб фізичного PAM-5 (Pulse Amplitude Modulation) є певним удосконаленням 2B1Q. Він передбачає додаткове використання нульового рівню сигналу для можливості корекції помилок за рахунок збитковості кодування. В літературі посилання на методи 2B1Q та PAM-5 іноді зустрічаються як синоніми. В практиці такі методи використвуються в технології Gigiabit Ethernet, де вони забезпечують збільшення бітової швидкості в умовах обмеженої частотної смуги;

- в найбільш сучасних реалізаціях багаторівневого фізичного кодування можуть використовуватись десятки рівнів сигналів. При цьому для забезпечення завадостійкості сигнали разом із інформаційними бітами кодують біти збиткові, що дозволяє виконувати корекцію помилок безпосередньо на рівні обробки сигналів приймачем. Наприклад, спосіб TC-PAM16 (префікс TC тут означає так зване трелліс-кодування або решіткове кодування) передбачає передачу 16-рівневими сигналами 3 інформаційних та 1 контрольного біта.

12.3 Логічне кодування сигналів

Скремблювання
Економічним способом покращання умов синхронізації без введення збитковості (а отже й без відповідного зниження бітової швидкості передачі) є так зване скремлювання — перемішування бітів вихідного повідомлення (рис.12.7):

Рисунок 12.7 Приклад реалізації скремблювання

- в прикладі реалізації скремблювання на рис.12.7 використовується проста процедура сумісної обробки трьох бітів повідомлення. Зокрема, черговий вихідний біт bi одержується як сумма по модулю 2 чергового вхідного біту аi та двох попередніх збережених вихідних бітів bi-3 та bi-5 (для їх збереження може використвуватись регістр зсуву). При дескремблюванні аналогічна схема відновлює біти сi (що відповідають аi), спираючись виключно на одержані результати скремблювання bi, які теж зберігаються в аналогічному регістрі зсуву;

- як можна бачити на прикладі виконання скремблювання-дескремблювання, така процедура дозволяє усувати довгі однорідні послідовності одиниць або нулів у вхідній послідовності. При цьому результат дескремблювання ci повністю відповідає вхідній послідовності бітів ai.

Слід відзначити, що метод скремблювання використоується не лише для поліпшення умов синхронізації. Інша задача, яку він здатен вирішувати, полягає в захисті від несанкціонованого доступу. Для цього використвується змішування інформаціного потоку із псевдовипадковим потоком бітів, який може бути відтворений на боці одержувача повідомлень. Такий спосіб широко використовується в системах зв'язку, а також при захисті від копіювання.

Типові схеми збиткового логічного кодування
В практиці широко використовуються схеми логічного кодування із введенням збитковості. Тут групи бітів вихідного потоку (в сфері звязку їх традиційно називають «символами») перетворюються у відповідні блоки більшої довжини. При цьому вирішується задача усунення незручних для передачі бітових послідовностей, а разом з цим реалізуються додаткові можливості, які надає збитковість — зокрема використання додаткових службових кодів, а також часткове виявлення помилок передачі.
Найбільш вживані схеми логічного кодування сигналів пояснює рис.12.8:

Рисунок 12.8 Поширені схеми логічного кодування сигналів

- в різних стандартах локальних мереж використовуються окремі схеми кодування, здебільшого на бітовому рівні, коли група двійкових розрядів конвертується в іншу двійкову групу більшої довжини (відповідне позначення XB/YB). При цьому виникає збитковість кодування в 2-4 рази (наприклад в схемі 4B/5B кількість кодів збільшується від 16 до 32, а в схемі 8B/10B — від 256 до 1024). Як ми уже знаємо, це дозволяє використовувати додаткові службові коди та виявляти деякі помилки передачі;

- конкретний приклад використання бінарної схеми 4B/5B, яка передбачена стандартом FDDI, відображений на рис.12.8. Тут зокрема застосовуються службові коди (символи), які забезпечують заповнення періоду відсутності обміну (Idle), фіксують початок передачі (пара J+K) та її завершення (T), а також деякі інші режими обміну - наприклад, підтвердження (Quiet) та зупинки обміну (Halt);

- схема логічного кодування 8B/6T втілює дещо інший підхід, коди бінарні вихідні дані конвертуються в трійковий алфавіт (+/0/-), якому надалі зазвичай відоповідають трирівневі сигнали. Такий варіант дозволяє скоротити сигнальну швидкість передачі на 25% (блок із 8 двійкових розрядів передаїться 6 сигналами) при тому, що водночас забезпечується значна збитковість кодування (36/28=2,85). Особливості застосування трирівневих сигналів ми розглянемо далі.

Двобінарне кодування
Ефективним варіантом усунення наслідків межсігнальной інтерференції є так зване двубинарне кодування сигналів (інша назва двубинарна модуляція). Він заснований на застосуванні властивостей трирівневих сигналів (рис.12.9):

Рисунок 12.9 Двобінарне кодування сигналів

- спочатку вихідні розряди коду xk перетворюються в біполярні сигнали x*k; потім формуються трирівневі сигнали yk = x*k + x*k-1 для передачі (увага, тут використовується звичайне арифметичне додавання, а не додовання за модулем 2); при декодуванні значення бінарних сигналів відновлюється за процедурою x*k = yk - x*k-1. Правила декодування і приклад виконання процедури показані на рисунку. Додамо, що передача такого коду повинна починатися з префіксного біта, який не несе інформації. На рисунку його значення «0», але в принципі воно довільно;

- ширина спектру для двубінарної послідовності виявляється вдвічі меншою, ніж для звичайних біполярних NRZ-сигналів і це дозволяє значно підвищити їх завадостійкість та ефективність використання частотної смуги каналу;

- в описаній вище версії двубінарне кодування має вже знайомий нам недолік: оскільки при формуванні сигналу враховуються значення сусідніх розрядів коду, помилка передачі може «розмножуватися» при декодуванні. Однак, в даному випадку існує рішення, яке реалізовано в удосконаленому способі. Тут для вихідної послідовності виконується попереднє кодування за процедурою wk = wk-1 + xk (при цьому використовується операція підсумовування «по модулю 2»). Важливо, що дане перетворення виконується не над сигналами, а над розрядами коду. У підсумку воно дозволяє декодувати значення розряду безпосередньо за прийнятими трійковими сигналами yk, а значить - виключає «розмноження» помилок.

12.4 Особливості передачі кабелями

Принципи передачі лініями електрозв'язку
Історично найбільшого розповсюдження серед систем направленої передачі сигналів набула передача кабелями електрозв'язку (рис.12.10):

Рисунок 12.10 Передача сигналів лініями електрозв'язку

- основою такої передачі є пара проводників (зазвичай їз міді), які каналізують розповсюдження електромагнітного поля. Відповідні закономірності описує модель електричної лінії із розподіленими параметрами, яка виділяє вплив активних та реактивних складових опору (рис.12.10). Зокрема, тут видно, що високочастотні складові спектру імпульсних сигналів будуть більше загасати внаслідок дії продольної індуктивної складової, а також зменшення опору ємності, яка виконує функцію фільтру. Саме цим пояснюється викривлення форми імпульсів (їх «розтікання»), яке ми розглядали в попереднії лекції;

- для захисту провідників в конкретних умовах фізичного середовища їх розміщають в оболонках, доповнюючи елементами міцності, захисту від впливу фізичного середовища та екранування електромагнітних полів. Такі конструкції називаються кабелями і можуть включати різну кількість провідників від однієї пари до тисяч (для забезпечення передачі багатьох сигналів). Зокрема при створенні компютерних мереж використвується два типи електричних кабелів — коаксіальний та «скручена пара”. Останній одержав найбільше розповсюдження і ми надалі розглянемо його окремо;

- особливість коаксиальних кабелів полягає в тому, що тут один із двох провідників сигнального току охоплює інший і екранує розсіяння електромагнітного поля. Завдяки цьому забезпечується зменшення загасання високочастотних сигналів та захист від зовнішніх наводок. Такі кабелі широко використовуються в сисемах зв'язку та сповіщення. На ранніх етапах вони також активно застосовувались в локальних мережах, але надалі були витіснені тут більш дешевою та простою в монтажі скрученою парою, а з іншого боку — оптичними кабелями.

Особливості використання кручених пар
Кабелі на основі кручених пар одержали найбільше розповсюдження на фізичному рівні локальних мереж завдяки економічності та зручності при монтажі. Тому ми більш детально розглянемо особливості саме їх використання (рис.12.11):

Рисунок 12.11 Особливості кабелю кручена пара

- кабелі на основі крученої пари (TP – Twisted Pair) зазвичай включають чотири пари провідників, які скручені між собою для зменшення впливу зовнішніх наводок. Основна перевага цього рішення в тому, що зовнішні сигнали, які впливають на обидва провідники в парі, не сприймаються приймачем, що реагує виключно на різницю сигналів. Додатково скручення забезпечує певне екранування поля власного сигналу, що зменшує його розсіювання (подібно до того, як екранує поле зовнішній провідник в коаксиальному кабелі);

- маркування кабелю UTP указує на відсутність зовнішнього фізичного екрану (Unshielded-незахищений) на відміну від кабелю FTP, де всі пари разом екранується фольгою (Foiled – згорнутий) або/та проволочним обплетенням — STP/SFTP (braided screening – плетене екранування). Також додатковий індивідуальний екран із фольги може використовуватись для окремих пар (U/FTP, F/FTP, S/FTP, SF/FTP). Всі типи екранування збільшують припустиму швидкість передачу сигналів за рахунок певного подорожчання;

- виділяють категорії кручених пар, які різняться перш за все шириною частотної полоси (а отже і обмеженнями на швидкість передачі даних) — рис.12.11. Нині більш ранні категорії 1, 2 та 4 практично не використовуються, а категорія 3 застосовується обмежено. На даний час найбільш поширена категорія 5 (зокрема її модифікація 5е). Перспективними є категорії 6 та 7. Разом із удосконаленням характеристик (зокрема збільшенням перетину провідників та якості ізоляційних матеріалів) вони передбачають зовнішнє екранування;

- практика використання кручених пар для різних поколінь технологій локальних мереж показала, що удосконалення обробки сигналів дозволяє суттєво збільшувати швидкості передачі в межах заданої частотної полоси і формату кабелю. Так, для кабелю CAT 5/5e за рахунок використання багаторівневих сигналів, а також розподілення потоку даних на всі 4 пари замість 2 пар із різними напрямками передачі вдалося підняти швидкість до 1 Гб/c при ширині полоси всього 100-125 МГц. Це стало можливим зокрема за рахунок використання спеціальних сигнальних процесорів в приймачах сигналів.

Передача оптоволоконними кабелями
Оптичні кабелі останнім часом значно розширюють сферу свого застосування завдяки можливості передачі сигналів на значні відстані (низьке питоме загасання сигналів) та економічності (не потрібна коштовна мідь). Особливості передачі сигналів оптичними кабелями пояснює рис.12.12:

Рисунок 12.12 Особливості передачі оптоволоконними кабелями

- світлові імпульси розповсюджуються оптичним волокном завдяки відзеркалюванню від межі двох середовищ — серцевини та оболонки. Зокрема технологія передбачає таке співвідношення коефіцієнтів преломлення, що лучі світла не виходять за межі волокна (так завне «повне внутрішнє відзеркалювання»). Діаметр оболонки зазвичай складає 125 мкм (майже як людське волосся). Серцевина може мати діаметр 50-62 мкм (у так званого мультімодового волокна), або 9 мкм (у одномодового волокна). Зрозуміло, що другий варіант сложнійший у виробництві і тому дорожчий;

- при передачі оптичним волокном лучі подорожують різними траекторіями. Ті траекторії, де лучі не гасяться при взаємодії і досягають приймача, звуться модами. В силу різної довжини траекторій виникає додаткова міжмодова дисперсія сигналів, яка суттєво обмежує відстань їх розпізнавання на заданій швидкості. Отже одномодове волокно має тут суттєву перевагу. Для мультімодового волокна зменшити дисперсію дозволяє використання так званого градієнтного профілю коефіцієнту преломлення замість простого ступінчастого;

- найменші рівні загасання оптичних сигналів відповідають діапазон довжини хвиль від 0,7 до 1,7 мкм (700-1700 нм), який належить до інфракрасного випромінювання (тобто, він не сприймається зором). При цьому на частотній характеристиці затухання виділяють так звані «вікна прозорості», де умови передачі є найкращими. Традиційно виділяють три таких вікна із довжиною хвиль відповідно 0,85; 1,35; 1,55 мкм. Зокрема найменше загасання біля 0,2 дБ/км характерне для третього вікна, а найменша дисперсія сигналів — для другого. Із зростанням очищення матеріалів, з яких виробляється серцевина оптоволокна сприятлива зона передачі розширюється.
О дисциплине ТИК
Почему «Теория информации и кодирования» - одна из самых интересных дисциплин, которые изучают будущие системщики и защитники информации?

В ней сочетаются золотая классика и самая актуальная современность computer-science.

продолжение
О сайте
Здесь вы найдете материалы, которые помогут в изучении дисциплины “Теория информации и кодирования” (ТИК) в том виде, как она преподается на кафедре ЭВМ ДИИТа.

На сайте размещены методические материалы:
  • электронный конспект лекций;
  • методическое обеспечение к лабораторным работам;
  • полезные ссылки.

продолжение
© 2008-2019 • Теория информации и кодирования
UP