Методы логического кодирования

Методы логического кодирования применяются для улучшения характеристик потенциальных кодов типа AMI, NRZI. Эти методы позволяют заменять длинные последовательности логических нулей, приводящие к постоянному потенциалу, вставками единиц. Для логического кодирования характерны два метода ‑ избыточные коды и скрэмблирование [13].

Избыточные коды основаны на разбиении исходной последовательности бит на порции, называемые символами. В процессе кодирования каждый исходный символ заменяется на новый, содержащий большее количество бит, чем исходный. Например, логический код 4В/5В, используемый в технологиях FDDI и Fast Ethernet, заменяет исходные символы длиной в 4 бита на символы длиной в 5 бит. Так как результирующие символы содержат избыточные биты, то общее количество битовых комбинаций в них больше, чем в исходных. Так, в коде 4В/5В результирующие символы могут содержать 2⁵ битовых комбинации, в то время как исходные символы ‑ только 2⁴. Поэтому в результирующем коде можно отобрать 16 таких комбинаций, которые не содержат большого количества нулей, а остальные считать запрещенными кодами (code violation). Кроме устранения постоянной составляющей и придания коду свойства самосинхронизации, избыточные коды позволяют приемнику распознавать искаженные биты. Если приемник принимает запрещенный код, значит на линии произошло искажение сигнала. Соответствие исходных и результирующих логических кодов 4В/5В представлены в табл. 2.1.

 

Таблица 2.1

 

Исход-ный код	Результи-рующий код	Исхо-дный код	Результи-рующий код	Исхо-дный код	Результи-рующий код
				–	–
				–	–

 

После замены символов код 4В/5В подвергается физическому кодированию по одному из методов потенциального кодирования, чувствительному только к длинным цепочкам нулей. Символы кода 4В/5В длиной 5 бит гарантируют, что при любом их сочетании на линии не могут встретиться более трех нулей подряд.

Использование таблицы перекодировки является очень простой операцией, поэтому этот подход не усложняет сетевые адаптеры и интерфейсные блоки коммутаторов и маршрутизаторов.

Для обеспечения заданной пропускной способности линии передатчик, использующий избыточный код, должен работать с повышенной тактовой частотой. Так, для передачи кодов 4В/5В со скоростью 100 Мб/с передатчик должен работать с тактовой частотой 125 МГц. При этом спектр сигнала на линии расширяется по сравнению со случаем, когда по линии передается чистый, не избыточный код. Тем не менее спектр избыточного потенциального кода оказывается уже спектра манчестерского кода, что оправдывает дополнительный этап логического кодирования, а также работу приемника и передатчика на повышенной тактовой частоте.

Скрэмблирование (scramble ‑ свалка, беспорядочная сборка) основано на предварительном «перемешивании» исходной информации таким образом, чтобы вероятность появления единиц и нулей на линии становилась приблизительно одинаковой. Устройства, выполняющие такую операцию, называются скрэмблерами.

При скремблировании используется известный алгоритм, поэтому приемник, получив двоичные данные, передает их на дескрэмблер, который восстанавливает исходную последовательность бит. Избыточные биты при этом по линии не передаются.

Например, скрэмблер может реализовывать следующее соотношение:

 

B_i = A_i ÅB_i-3 Å B_i-5,

 

где Bi ‑ двоичная цифра результирующего кода, полученная на i-м такте работы скрэмблера, A_i ‑ двоичная цифра исходного кода, поступающая на i-м такте на вход скрэмблера, В_i-3 и В_i-5 ‑ двоичные цифры результирующего кода, полученные на предыдущих тактах работы скрэмблера, соответственно на 3 и на 5 тактов ранее текущего такта, Å ‑ операция «Cложение по модулю 2».

Например, для исходной последовательности 110110000001 скрэмблер даст следующий результирующий код:

 

B1 = А1 = 1

B₂ = А₂ = 1

B₃ = А₃ = 0

B₄ = A4ÅBi = lÅl=0

B₅ = А₅ Å B₂ = 1 Å 1 = 0

B₆ = А₆ Å B₃ Å B1 = 0 Å 0 Å 1 = 1

B₇ = А7ÅВ₄ÅВ2 = 0Å0Å 1 = 1

B₈ = А₈ÅВ₅ÅВз = 0Å0Å0 = 0

B₉ = А₉ Å B₆ Å B₄ = 0 Å 1 Å 0 = 1

В₁₀ = А₁₀ Å B₇ Å B₅ = 0 Å 1 Å 0 = 1

В₁₁ = А₁₁ Å B₈ Å B₆ = 0 Å 0 Å 1 = 1

B₁₂ = А₁₂ Å B₉ Å B₇ = 1 Å 1 Å 1 = 1.

 

Первые три цифры результирующего кода будут совпадать с исходным, так как еще нет нужных предыдущих цифр.

Таким образом, на выходе скрэмблера появится последовательность 110001101111, в которой нет последовательности из шести нулей, присутствовавшей в исходном коде.

После получения результирующей последовательности приемник передает ее дескрэмблеру, который восстанавливает исходную последовательность на основании обратного соотношения:

 

Q = B_i Å B_i-3 Å B_i-5 = (A_i Å B_i-3 Å B_i-5) Å B_i-3 Å B_i-5 = A_i.

 

Различные алгоритмы скрэмблирования отличаются количеством слагаемых, дающих цифру результирующего кода, и сдвигом между слагаемыми. Так, в сетях ISDN при передаче данных от сети к абоненту используется преобразование со сдвигами в 5 и 23 позиции, а при передаче данных от абонента в сеть со сдвигами 18 и 23 позиции.

 

Модемы

 

Устройство модемов

В настоящее время продолжается широкое использование модемной связи для информационного обмена между удаленными абонентскими системами по выделенным и коммутируемым каналам связи. Пользователями такого вида связи являются как частные лица, государственные и коммерческие организации и учреждения, так и различные структурные подразделения Министерства обороны РФ [8,12].

Модем (МОдулятор-ДЕМодулятор) ‑ устройство прямого (модулятор) и обратного (демодулятор) преобразования сигналов к виду, принятому для использования в определенном канале связи.

Модемы применяются в тех случаях, когда канальные линии связи не позволяют надежно передавать двоичные сигналы простым изменением их амплитуды.

Для повышения надежности и скорости передачи информации по линиям связи в современных модемах используются различные методы модуляции сигналов (частотная, фазовая, квадратурная фазовая и т.п.).

Количество модуляций в секунду называется скоростью модуляции и измеряется в бодах (Бод). Количество переданной при этом информации измеряется в битах в секунду (бит/с или BPS ‑ Bits Per Second). Одна модуляция может передавать как один бит, так и большее или меньшее их количество.

Обобщенная структурная схема модема представлена на рис. 2.16.

Несмотря на большое разнообразие модемов в их структуре можно выделить ряд общих узлов:

- интерфейс с абонентской системой;

- интерфейс с линией канала связи;

- модемный (основной) процессор;

- сигнальный процессор;

- оперативное запоминающее устройство (ОЗУ);

- постоянное запоминающее устройство (ПЗУ);

- энергонезависимое полупостоянное запоминающее устройство (ППЗУ)

- панель управления, индикации и сигнализации.

 

 

Рис. 2.16. Структурная схема модема

 

Интерфейс с абонентской системой обеспечивает взаимодействие модема с оконечным оборудованием данных, в качестве которого обычно выступают вычислительные средства абонентских систем или узлов коммутации [13].

Интерфейс с линией канала связи обеспечивает согласование электрических и других параметров модема с физическими характеристиками используемых линий связи.

Модемный (основной) процессор реализует функции приема и выполнения управляющих команд, буферизацию и обработку принимаемых и передаваемых данных (кодирование, декодирование, сжатие/распаковку и т.п.), контроль и управление сигнальным пpоцессоpом, а также панелью индикации и сигнализации.

Сигнальный процессор (DSP, Digital Signal Processor ‑ цифровой сигнальный пpоцессоp) реализует операции с непосредственно принимаемыми или передаваемыми в линию связи сигналами (модуляцию/демодуляцию, разделение частотных полос, подавлением эха и т.п.).

В ПЗУ (ROM ‑ read only memory) хранятся пpогpаммы для основного и сигнального пpоцессоpов (firmware) и интерпретатор команд. ПЗУ может быть однократно пpогpаммиpуемым (PROM) или пеpепpогpаммиpуемым электрически (EEPROM, Flash ROM). Последний тип ПЗУ позволяет оперативно менять их программные прошивки по мере исправления ошибок или появления новых возможностей.

ОЗУ (RAM ‑ random access memory) используется в качестве временной быстродействующей памяти при работе основного и сигнального пpоцессоpов. Оно может быть как раздельным, так и общим. В ОЗУ хранится также текущий набор паpаметpов модема (active profile).

В энергонезависимом ППЗУ (NVRAM ‑ non-volatile RAM) после выключения модема сохраняются его текущие настройки и параметры.

Панель управления, индикации и сигнализации содержит микропереключатели (SW), светодиоды (LED) и динамик (Speaker), с помощью которых можно задать и проконтролировать правильность реализации различных режимов функционирования модема и состояние канала.

 

Классификация модемов

В связи с большим разнообразием конструктивного исполнения, сфер применения и режимов работы строгая классификация модемов весьма затруднительна. Тем не менее можно выделить ряд признаков, позволяющих провести их условную классификацию (рис. 2.17).

По области применения модемы можно разделить на следующие группы:

- для коммутируемых и выделенных аналоговых телефонных каналов;

- для цифровых каналов связи;

- для линий кабельного телевидения;

- для сотовых систем связи;

- для пакетных и локальных радиосетей;

- для передачи данных по сетям электропитания.

Большинство выпускаемых в настоящее время модемов предназначено для работы с аналоговыми коммутируемыми телефонными каналами, имеющими ограниченную полосу пропускания шириной 3,1 КГц (300 ‑ 3400 Гц). В них реализованы функции взаимодействия с автоматическими телефонными станциями (АТС), они способны различать их сигналы и передавать свои сигналы набора номера. Скорость передачи данных по таким линиям в настоящее время составляет до 56 Кбит/с. Выделенные телефонные линии имеют полосу пропускания более широкую, чем коммутируемые. Для них выпускаются специальные модемы, обеспечивающие передачу данных со скоростями до 2 Мбит/с и более.

 

Рис. 2.17. Классификация модемов

 

Модемы для цифровых каналов связи оперируют не с аналоговыми модулированными, а с дискретными импульсными сигналами. Они обеспечивают подключение абонентских систем к стандартным высокоскоростным цифровым телекоммуникационным каналам, таким как Е1/Т1 или ISDN [14] (будут рассмотрены в дальнейшем), и поддерживают функции соответствующих канальных интерфейсов. Обычно модемы для цифровых каналов связи ассиметричны, т.е. скорость приема данных из линии значительно выше скорости их передачи в линию. Так, например, модемы для работы в цифровых сетях ADSL (ADSL-модемы) обеспечивают скорость приема данных из канала до 10 Мбит/с, а передачи ‑ до 400 Кбит/с. Большинство цифровых модемов позволяют одновременно и независимо использовать одну и ту же физическую линию связи и для передачи дискретных данных и для аналоговых телефонных переговоров, чего не позволяют обычные аналоговые модемы для коммутируемых линий.

Модемы для линий кабельного телевидения (кабельные модемы) обеспечивают информационный обмен между абонентскими системами посредством коммуникаций кабельного телевидения. Кабельные модемы также как и цифровые обычно ассиметричны. Они позволяют осуществлять передачу дискретных данных к абонентским системам со скоростями до 40 Мбит/с и прием данных от них со скоростями до 2 ‑ 5 Мбит/с параллельно с видеовещанием. В основном предназначены для предоставления пользователям высокоскоростного доступа к ресурсам сети Интернет. В нашей стране широкого распространения не получили в виду ограниченного развития коммуникаций кабельного телевидения.

Модемы для сотовых систем связи предназначены для организации информационного обмена между абонентскими системами по беспроводным сотовым телефонным каналам. Такие модемы отличаются компактностью исполнения и поддержкой специальных протоколов модуляции и исправления ошибок, позволяющих эффективно передавать данные в условиях сотовых каналов с высоким уровнем помех и постоянно изменяющимися параметрами. Различают модемы для цифровых и аналоговых стандартов сотовой связи. Сотовые модемы обеспечивают относительно невысокую (до нескольких десятков Кбит/с) скорость передачи данных.

Пакетные радиомодемы предназначены для передачи данных по радиоканалу между мобильными абонентскими системами. Радиоканал по своим характеристикам близок к телефонному и организуется с использованием типовых радиостанций, настроенных на одну и ту же частоту в УКВ либо KB ‑ диапазоне. Пакетные радиомодемы реализуют различные методы аналоговой модуляции и множественного доступа к передающей среде. Реализуемая такими модемами скорость передачи данных также относительно невелика.

Радиомодемы локальных сетей ЭВМ, в отличие от пакетных, обеспечивают передачу данных на небольшие расстояния (до 500 м), но с высокой скоростью (до 50 Мбит/с), сопоставимой со скоростью передачи в проводных локальных сетях.

В настоящее время ведутся активные работы по созданию стандартов, технологий и аппаратных средств для передачи дискретных данных по сетям электропитания. В рамках этих исследований созданы специализированные силовые модемы. Их широкое применение в современных телекоммуникационных системах маловероятно, однако в перспективе они могут составить серьезную конкуренцию традиционным модемам.

По методу передачи данных модемы можно разделить:

- на асинхронные;

- синхронные.

Асинхронные модемы передают данные в линию связи в виде последовательности отдельных байтов данных (символов). Каждый байт передается независимо от остальных. Синхронизация принимающей абонентской системы в этом случае осуществляется в начале каждого получаемого байта. Для этого каждый передаваемый байт обрамляется дополнительным стартовым и одним или более стоповыми битами (рис. 9.3). Асинхронный метод передачи данных прост и дешев, но обладает низкой эффективностью, так как каждый байт данных сопровождается как минимум двумя служебными битами. Применяется главным образом для передачи данных, генерируемых в случайные моменты времени, например пользователем.

 

Рис. 2.18. Асинхронная передача данных

 

Синхронные модемы группируют передаваемые байты (символы) в информационные кадры. Каждый кадр передается как цепочка байтов без каких-либо задержек между отдельными байтами (рис. 2.19).

Для обеспечения синхронной работы передающей и принимающей абонентских систем должны выполняться следующие условия:

- передаваемые кадры не должны содержать длинных последовательностей нулей или единиц для того, чтобы принимающая абонентская система могла устойчиво выделять тактовую частоту синхронизации;

- каждый кадр должен иметь зарезервированные последовательности битов или символов, отмечающие его начало и конец (синхробайты).

 

Рис. 2.19. Синхронная передача данных

 

Существует два альтернативных метода организации синхронной связи: символьно- (байт-ориентированный) и бит-ориентированный. Особенности их реализации были рассмотрены ранее.

По конструктивному исполнению модемы можно разделить на [11]:

- внутренние модемы;

- внешние модемы;

- портативные модемы;

- групповые модемы.

Внутренние модемы выполняются в виде отдельных плат, которые устанавливаются в слоты расширения системной платы компьютера. Они не имеют собственного источника питания и получают электроэнергию от общего блока питания компьютера. Внутренние модемы компактны и требуют небольших материальных затрат на их приобретение, но обычно обладают ограниченными функциональными возможностями.

Внешние модемы выполняются в виде самостоятельных автономных устройств. Подключаются к компьютеру с помощью одного из портов (обычно последовательного), запитываются от собственного сетевого источника. Внешние модемы обычно более сложны, реализуют широкий спектр функциональных возможностей, снабжаются собственными индикаторами режимов работы и состояния канала в виде набора светодиодов или жидкокристаллического дисплея. Имеют более высокую стоимость по сравнению с внутренними модемами.

Портативные модемы предназначены для использования мобильными пользователями совместно с компьютерами класса Notebook. Они отличаются малыми габаритами и высокой ценой. Их функциональные возможности, как правило, не уступают возможностям полнофункциональных модемов. Часто портативные модемы оснащены интерфейсом PCMCIA.

Групповыми модемами (модемным пулом) называют совокупность отдельных модемов, объединенных в общий блок и имеющих общие блок питания, устройства управления и отображения. Отдельный модем группового модема представляет собой плату с разъемом, устанавливаемую в блок, и рассчитан на один или небольшое число каналов.

По функциональным возможностям модемы можно разделить на два класса:

- аппаратные модемы (hard-modem);

- программные модемы (soft-modem).

Аппаратные модемы самостоятельно реализуют большинство функций приема и передачи данных, факсов (графических изображений) и голоса. Имеют более сложную структуру и относительно высокую стоимость. Достоинством аппаратных модемов является простота их установки и настройки, выполнение всех операций приема и передачи различных видов информации без задействования ресурсов компьютера, высокоэффективная работа даже с плохими телефонными линиями.

Программные модемы реализуют часть своих функциональных возможностей не собственными аппаратными средствами, а программно с помощью центрального процессора компьютера. Такая замена существенно упрощает структуру и удешевляет модем, но обуславливает дополнительную нагрузку на оперативную память и процессор компьютера. Программные модемы требуют более сложной программной настройки при установке. Эффективность их работы сильно зависит от качества телефонной линии. Программные модемы, предназначенные для работы в компьютерах с операционной системой Windows, называются Win-модемами.