Информационные последовательные магистрали
От тактовой частоты до информационной магистрали
Информационные системы локальных сетей иногда сравнивают с транспортной инфраструктурой. Кабели — это магистрали, разъемы — стыки дорог, сетевые карты и устройства — терминалы. Сетевые протоколы вызывают ассоциацию с правилами движения, которые к тому же определяют тип, конструкцию и характеристики транспортных средств.
Стандарты открытых кабельных систем, называемых также структурированными, определяют параметры и правила построения среды для передачи сигналов. Среда передачи — это электропроводные и оптоволоконные кабели, соединенные в каналы с помощью разъемов. При беспроводной связи передача сигналов осуществляется посредством радиоволн, в том числе, инфракрасных. Однако свободное пространство пока не рассматривается в качестве среды для локальных сетей.
Стандарты определяют частотный и динамический диапазоны элементов — кабелей, разъемов, линий и каналов.
Другая группа стандартов, разрабатываемая организациями стандартизации, в частности, Институтом инженеров электротехники и электроники (IEEE), и общественными организациями, например, ATM Forum и Gigabit Ethernet Alliance, определяет параметры физического уровня сетевых протоколов. К ним относятся тактовая частота, метод кодирования, схема передачи и спектр сигнала.
Открытая система обмена информацией OSI (Open System Interconnect), определяющая стандарты связи и передачи данных в любых сетях, разбивает все функции взаимодействия систем на семь уровней.
Нижний или физический уровень обеспечивает преобразование данных в электромагнитные сигналы, предназначенные для определенной среды передачи, и наоборот. Сигналы, передаваемые с физического уровня на второй или канальный уровень, не зависят от среды передачи. Сетевые протоколы, работающие на первом и втором уровнях, задают параметры сигналов, отправляемых по магистралям.
Некоторые аналогии, приводимые в статье, позволяют лучше понять взаимосвязь тактовой частоты, спектра сигнала и скорости передачи данных.
Если представить себе, что тактовая частота — это обороты двигателя автомобиля, то скорость передачи данных — это скорость движения. Преобразование одного в другое обеспечивается кодированием или коробкой передач.
Механизм кодирования
Цифровая передача данных требует выполнения нескольких обязательных операций:
· синхронизация тактовой частоты передатчика и приемника;
· преобразование последовательности битов в электрический сигнал;
· уменьшение частоты спектра электрического сигнала с помощью фильтров;
· передача урезанного спектра по каналу связи;
· усиление сигнала и восстановление его формы приемником;
· преобразование аналогвого сигнала в цифровой.
Рассмотрим взаимосвязь тактовой частоты и битовой последовательности. Битовый поток передается со скоростью, определяемой числом бит в единицу времени. Другими словами биты в секунду — это число дискретных изменений сигнала в единицу времени. Тактовая частота, измеряемая в герцах, это число синусоидальных изменений сигнала в единицу времени.
Данное очевидное соответствие породило ошибочное представление об адекватности значений герц и бит в секунду. На практике все сложнее. Скорость передачи данных, как правило, выше тактовой частоты. Для увеличения скорости передачи сигнал может идти параллельно по нескольким парам. Данные могут передаваться битами или байтами. Кодированный сигнал может иметь два, три, пять и более уровней. Некоторые методы кодирования сигналов требуют дополнительного кодирования данных или синхронизации, которые уменьшают скорость передачи информационных сигналов.
Как видно из таблицы, однозначного соответствия МГц и Мбит/с не существует.
| Категория канала | 5е | ||||
| Диапазон частот, МГц | |||||
| Максимальная скорость передачи данных, Мбит/с | 155/1000 | Нет протоколов |
Таблица 1. ССоотношение между категорией канала, диапазоном частот и максимальной скоростью передачи данных
Каждый протокол требует определенную ширину спектра или, если хотите, ширину информационной магистрали. Схемы кодирования усложняют для того, чтобы эффективнее использовать информационные магистрали. Как и в аналогии с двигателем, совсем необязательно раскручивать его до максимальных оборотов, целесообразнее включить передачу.
Первая передача — коды RZ и Манчестер-II
Код RZ
RZ — это трехуровневый код, обеспечивающий возврат к нулевому уровню после передачи каждого бита информации. Его так и называют кодирование с возвратом к нулю (Return to Zero). Логическому нулю соответствует положительный импульс, логической единице — отрицательный.
Информационный переход осуществляется в начале бита, возврат к нулевому уровню — в середине бита. Особенностью кода RZ является то, что в центре бита всегда есть переход (положительный или отрицательный). Следовательно, каждый бит обозначен. Приемник может выделить синхроимпульс (строб), имеющий частоту следования импульсов, из самого сигнала. Привязка производится к каждому биту, что обеспечивает синхронизацию приемника с передатчиком. Такие коды, несущие в себе строб, называются самосинхронизирующимися.
Недостаток кода RZ состоит в том, что он не дает выигрыша в скорости передачи данных. Для передачи со скоростью10 Мбит/с требуется частота несущей 10 ММГц. Кроме того, для различения трех уровней необходимо лучшее соотношение сигнал / шум на входе в приемник, чем для двухуровневых кодов.
Наиболее часто код RZ используется в оптоволоконных сетях. При передаче света не существует положительных и отрицательных сигналов, поэтому используют три уровня мощности световых импульсов.
Код Манчестер-II
Код Манчестер-II или манчестерский код получил наибольшее распространение в локальных сетях. Он также относится к самосинхронизирующимся кодам, но в отличие от кода RZ имеет не три, а только два уровня, что обеспечивает лучшую помехозащищенность.
Логическому нулю соответствует переход на верхний уровень в центре битового интервала, логической единице — переход на нижний уровень. Логика кодирования хорошо видна на примере передачи последовательности единиц или нулей. При передаче чередующихся битов частота следования импульсов уменьшается в два раза.
Информационные переходы в средине бита остаются, а граничные (на границе битовых интервалов) — при чередовании единиц и нулей отсутствуют. Это выполняется с помощью последовательности запрещающих импульсов. Эти импульсы синхронизируются с информационными и обеспечивают запрет нежелательных граничных переходов.
Изменение сигнала в центре каждого бита позволяет легко выделить синхросигнал. Самосинхронизация дает возможность передачи больших пакетов информацию без потерь из-за различий тактовой частоты передатчика и приемника.
Большое достоинство манчестерского кода — отсутствие постоянной составляющей при передаче длинной последовательности единиц или нулей. Благодаря этому гальваническая развязка сигналов выполняется простейшими способами, например, с помощью импульсных трансформаторов.
Частотный спектр сигнала при манчестерском кодировании включает только две несущие частоты. Для десятимегабитного протокола — это 10 ММГц при передаче сигнала, состоящего из одних нулей или одних единиц, и 5 ММГц — для сигнала с чередованием нулей и единиц. Поэтому с помощью полосовых фильтров можно легко отфильтровать все другие частоты.
Код Манчестер-II нашел применение в оптоволоконных и электропроводных сетях. Самый распространенный протокол локальных сетей Ethernet 10 ММбит/с использует именно этот код.
Вторая передача — код NRZ
Код NRZ (Non Return to Zero) — без возврата к нулю — это простейший двухуровневый код. Нулю соответствует нижний уровень, единице — верхний. Информационные переходы происходят на границе битов. Вариант кода NRZI (Non Return to Zero Inverted) — соответствует обратной полярности.
Несомненное достоинство кода — простота. Сигнал не надо кодировать и декодировать.
Кроме того, скорость передачи данных вдвое превышает частоту. Наибольшая частота будет фиксироваться при чередовании единиц и нулей. При частоте 1 ГГц обеспечивается передача двух битов. Для других комбинаций частота будет меньше. При передаче последовательности одинаковых битов частота изменения сигнала равна нулю.
Код NRZ (NRZI) не имеет синхронизации. Это является самым большим его недостатком. Если тактовая частота приемника отличается от частоты передатчика, теряется синхронизация, биты преобразуются, данные теряются.
Для синхронизации начала приема пакета используется стартовый служебный бит, например, единица. Наиболее известное применение кода NRZI — стандарт ATM155. Самый распространенный протокол RS232, применяемый для соединений через последовательный порт ПК, также использует код NRZ. Передача информации ведется байтами по 8 ббит, сопровождаемыми стартовыми и стоповыми битами.
