Аналоговые каналы передачи данных

1.8 Аналоговые каналы передачи данных. Способы модуляции Типичным и наиболее распространенным типом аналоговых каналов являются телефонные каналы общего пользования (каналы тональной частоты). Для передачи дискретной информации по каналам тональной частоты необходимы устройства преобразования сигналов, согласующие характеристики дискретных сигналов и аналоговых линий. Согласование параметров сигналов и среды при использовании аналоговых каналов осуществляется с помощью воплощения сигнала, выражающего передаваемое сообщение, в некотором процессе, называемом переносчиком и приспособленном к реализации в данной среде. Переносчик в системах связи представлен электромагнитными колебаниями U некоторой частоты, называемой несущей частотой: U = Um · sin(vt+y ), где Um – амплитуда, v – частота, y – фаза колебаний. Изменение параметров несущей по закону передаваемого сообщения называется модуляцией. Если это изменение относится к амплитуде Um, то модуляцию называют амплитудной (АМ), если к частоте v – частотной (ЧМ), и если к фазе y – фазовой (ФМ). Существуют и другие способы модуляции, например, квадратурно-амплитудная модуляция, основанная на передаче одним элементом модулированного сигнала n бит информации, где n = 4...8 (т.е. используются 16... 256 дискретных значений амплитуды). Однако для надежного различения этих значений амплитуды требуется малый уровень помех. При приеме сообщения предусматривается обратная процедура извлечения полезного сигнала из переносчика, называемая демодуляцией. Модуляция и демодуляция выполняются в устройстве, называемом модемом. 30 1.9 Методы доступа к среде передачи информации Метод доступа является способом определения того, какая из рабочих станций сможет следующей использовать ЛВС. То, как сеть управляет доступом к каналу связи, существенно влияет на ее характеристики. К наиболее распространенным методам доступа относятся: − множественный доступ с передачей полномочия, или метод с передачей маркера; − множественный доступ с разделением во времени; − множественный доступ с разделением частоты; − случайный доступ, развитием которого является множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов. 1.9.1 Множественный доступ с передачей полномочия Метод с передачей полномочия, или маркера (Token Passing Multiple Access – TPMA), – это метод доступа к среде, в котором от рабочей станции к рабочей станции передается маркер, дающий разрешение на передачу сообщения. При получении маркера рабочая станция может передавать сообщение, присоединяя его к маркеру, который переносит это сообщение по сети. Каждая станция между передающей станцией и принимающей видит это сообщение, но только станцияадресат принимает его. При этом она создает новый маркер. Маркер, или полномочие, – это уникальная комбинация битов, позволяющая рабочей станции начать передачу данных. Когда рабочей станции необходимо передать пакет, ее адаптер дожидается поступления маркера, а затем преобразует его в пакет, содержащий данные, отформатированные по протоколу соответствующего уровня, и передает результат далее по сети. 31 Пакет распространяется по сети от адаптера к адаптеру, пока не найдет своего адресата, который установит в нем определенные биты для подтверждения того, что данные достигли адресата, и ретранслирует его вновь в сеть. После чего пакет возвращается в узел, из которого был отправлен. Здесь после проверки безошибочной передачи пакета узел освобождает сеть, выпуская новый маркер. Таким образом, в сети с передачей маркера невозможны коллизии (конфликты). Метод с передачей маркера в основном используется в кольцевой топологии. Данный метод характеризуется следующими достоинствами: − гарантирует определенное время доставки блоков данных в сети; − дает возможность предоставления различных приоритетов передачи данных. Вместе с тем он имеет существенные недостатки: − в сети возможны потеря маркера, а также появление нескольких маркеров, при этом сеть прекращает работу; − включение и отключение новых рабочих станций связано с изменением адресов всей системы. 1.9.2 Множественный доступ с разделением во времени Множественный доступ с разделением во времени (Time Division Multiple Access – TDMA) основан на распределении времени работы канала между системами. Доступ TDMA основан на использовании специального устройства, называемого тактовым генератором. Этот генератор делит время канала на повторяющиеся циклы. Каждый из циклов начинается сигналомразграничителем. Цикл включает в себя пронумерованные временные интервалы, называемых ячейками. Интервалы предоставляются для загрузки в них блоков данных. 32 Простейший вариант использования интервалов заключается в том, что их число делается равным количеству абонентских систем, подключенных к рассматриваемому каналу. Тогда во время цикла каждой системе предоставляется один интервал, в течение которого она может передавать данные. При использовании рассмотренного метода доступа часто оказывается, что в одном и том же цикле одним системам нечего передавать, а другим не хватает выделенного времени. В результате пропускная способность канала используется неэффективно. Более сложный, но высокоэкономичный вариант заключается в том, что система получает интервал только тогда, когда у нее возникает необходимость в передаче данных, например при асинхронном способе передачи. Для передачи данных система может в каждом цикле получать интервал с одним и тем же номером. В этом случае передаваемые системой блоки данных появляются через одинаковые промежутки времени и приходят с одним и тем же временем запаздывания. Этот способ особенно удобен при передаче речи. 1.9.3 Множественный доступ с разделением частоты Множественный доступ с разделением частоты (Frequency Division Multiple Access – FDMA) основан на разделении полосы пропускания канала на группу полос частот, образующих логические каналы. Широкая полоса пропускания канала делится на ряд узких полос, разделенных защитными полосами. Размеры узких полос могут быть различными. Передаваемые по логическим каналам сигналы накладываются на разные несущие и поэтому в частотной области не должны пересекаться. Вместе с этим, иногда, несмотря на наличие защитных полос, спектральные составляющие сигнала могут выходить за границы логического канала и вызывать шум в соседнем логическом канале. 33 В оптических каналах разделение частоты осуществляется направлением в каждый из них лучей света с различными частотами. Благодаря этому пропускная способность физического канала увеличивается в несколько раз. При осуществлении этого мультиплексирования в один световод излучает свет большое число лазеров (на различных частотах). Через световод излучение каждого из них проходит независимо от другого. На приемном конце разделение частот сигналов, прошедших физический канал, осуществляется путем фильтрации выходных сигналов. Метод доступа FDMA относительно прост, но для его реализации необходимы передатчики и приемники, работающие на различных частотах. 1.9.4 Множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов Метод множественного доступа с прослушиванием несущей и обнаружением конфликтов (CSMA/CD – Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) устанавливает следующий порядок работы сети: если рабочая станция собирается воспользоваться сетью для передачи данных, она сначала должна проверить состояние канала: начинать передачу станция может, если канал свободен. В процессе передачи станция продолжает прослушивание сети для обнаружения возможных конфликтов. Если возникает конфликт из-за того, что два узла попытаются занять канал, то обнаружившая конфликт интерфейсная плата выдает в сеть специальный сигнал (jam-сигнал) и обе станции одновременно прекращают передачу. Назначением jam-сигнала является усиление коллизии. Принимающая станция отбрасывает частично принятое сообщение, а все рабочие станции, желающие передать сообще34 ние, в течение некоторого случайно выбранного промежутка времени выжидают, прежде чем начать сообщение. Все сетевые интерфейсные платы запрограммированы на разные псевдослучайные промежутки времени. Если конфликт возникнет во время повторной передачи сообщения, этот промежуток времени будет увеличен. 1.10 Кодирование информации в локальных сетях Кодирование передаваемой по сети информации имеет непосредственное отношение к соотношению максимально допустимой скорости передачи и пропускной способности используемой среды передачи. При использовании различных кодов максимальная скорость передачи по одному и тому же кабелю может отличаться в два раза. Выбор кода влияет также на сложность сетевой аппаратуры и надежность передачи информации. Код NRZ (Non Return to Zero – без возврата к нулю) – это простейший код, представляющий собой практически обычный цифровой сигнал (рис. 1.8). В коде NRZ допускается изменение полярности на обратную, а также изменение уровней, соответствующих нулю и единице. К несомненным достоинствам кода NRZ относятся его очень простая реализация (исходный сигнал не требуется кодировать на передающем конце и декодировать на приемном), а также минимальная среди других кодов пропускная способность линии связи, требуемая при данной скорости передачи. Существенным недостатком кода NRZ является возможность потери синхронизации приемником при приеме слишком длинных блоков информации (пакетов). Приемник может привязать момент начала приема только к стартовому биту пакета, а в течение приема пакета вынужден пользоваться только собственным внутренним тактовым гене35 ратором. Если часы приемника расходятся с часами передатчика в ту или иную сторону, то временной сдвиг к концу приема пакета может превысить длительность одного или нескольких бит и в результате произойдет потеря переданных данных. Например, при длине пакета, равной 10000 бит, даже при идеальной передаче формы сигнала по кабелю допустимое расхождение часов приемника и передатчика составит не более 0,01%. Рис. 1.8. Некоторые коды передачи информации Во избежание потери синхронизации можно было бы ввести вторую линию связи для передачи синхронизирующего сигнала. Но при этом требуемое количество кабеля, приемников также увеличивается в два раза, что невыгодно при большой длине сети и большом количестве абонентов. Поэтому код NRZ используется только для передачи короткими пакетами (обычно до 1 Кбита). Для синхронизации начала приема пакета используется стартовый служебный бит, уровень которого отличается от пассивного состояния линии связи (например, если пассивное со36 стояние линии связи при отсутствии передачи равно нулю, то стартовый бит равен единице). Наиболее известным применением кода NRZ является последовательный порт персонального компьютера. Передача информации в нем ведется по 8 бит (т.е. побайтно), сопровождаемыми стартовым и стоповым битами. Код RZ (Return to Zero – с возвратом к нулю) представляет собой трехуровневый код, получивший такое название из-за того, что после значащего уровня сигнала в первой половине передаваемого бита информации следует возврат к некоему «нулевому» уровню (например, к нулевому потенциалу). Переход к нему происходит в середине каждого бита (см. рис. 1.8). Особенностью кода RZ является то, что в центре бита всегда есть переход (положительный или отрицательный), поэтому из данного кода приемник может выделить синхроимпульс, называемый также стробом. В данном случае возможна временная привязка не только к началу пакета, как в случае кода NRZ, но и к каждому отдельному биту, поэтому потери синхронизации не произойдет при любой длине пакета. Такие коды, несущие в себе строб, получили название самосинхронизирующихся. Недостаток кода RZ заключается в том, что для него требуется вдвое большая полоса пропускания канала при той же скорости передачи по сравнению с кодом NRZ: на один бит приходится два изменения уровня напряжения. Код RZ применяется не только в сетях на основе электрического кабеля, но и в сетях на основе оптоволоконного кабеля. Поскольку в оптоволоконных линиях связи не существует положительных и отрицательных уровней сигнала, используются уровни: отсутствие света, «средний» свет, «сильный» свет. В этом случае, даже когда передача информации не производится, свет все равно присутствует, что позволяет легко определить целостность оптоволоконной линии связи без принятия каких-либо дополнительных мер. 37 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 два уровня, что способствует его лучшей помехозащищенности. Логическому нулю соответствует положительный переход в центре бита (то есть первая половина битового интервала имеет низкий уровень, а вторая — высокий), а логической единице соответствует отрицательный переход в центре бита (или наоборот). Обязательное наличие перехода в центре бита позволяет приемнику кода Манчестер-II легко выделить из пришедшего сигнала синхросигнал, что дает возможность передавать информацию сколь угодно большими пакетами без потерь из-за рассинхронизации. Допустимое расхождение часов приемника и передатчика достигает 25%. Как и в случае кода RZ, пропускная способность линии требуется в два раза выше, чем при использовании простейшего кода NRZ. Код МанчестерII используется как в электрических, так и в оптоволоконных кабелях (в последнем случае один уровень соответствует отсутствию света, а другой – его наличию). Если один из уровней сигнала в манчестерском коде нулевой (как, например, в сети Ethernet), то величина постоянной составляющей в течение передачи будет равна примерно половине амплитуды сигнала. Это позволяет легко фиксировать столкновения пакетов в сети (конфликт, коллизию) по отклонению величины постоянной составляющей за установленные пределы. Так же как и в случае кода RZ, при манчестерском кодировании очень просто определить, идет передача или нет, то есть детектировать занятость сети или, как еще говорят, обнаруживать несущую частоту. Для этого достаточно контролировать, происходит ли изменение сигнала в течение битового интервала. Обнаружение несущей частоты необ38 ходимо, например, для определения момента начала и конца принимаемого пакета, а также для предотвращения начала передачи в случае занятости сети (когда передает какой-то другой абонент). Стандартный манчестерский код имеет несколько вариантов, один из которых показан на рис. 1.8 (вариант 2 манчестерского кода). Этот код используется в сетях Token Ring компании IBM. Принцип данного кода прост: в начале каждого битового интервала сигнал меняет уровень на противоположный предыдущему, а в середине единичных (и только единичных) битовых интервалов уровень изменяется еще раз. Таким образом, в начале битового интервала всегда есть переход, который используется для самосинхронизации. Разрабатываемые в настоящее время коды должны соблюдать компромисс между требуемой при заданной скорости передачи полосой пропускания канала связи и возможностью самосинхронизации. Обычно для этого в поток передаваемых битов добавляют биты синхронизации, например, один бит синхронизации на 4, 5 или 6 информационных битов или два бита синхронизации на 8 информационных битов. В действительности кодирование не сводится к простой вставке в передаваемые данные дополнительных битов. Группы информационных битов преобразуются в передаваемые по сети группы с количеством битов на один или два больше. Приемник осуществляет обратное преобразование, восстанавливая исходные информационные биты. Довольно просто осуществляется в этом случае и обнаружение несущей частоты (то есть детектирование передачи). Например, в сети FDDI применяется код 4В/5В, преобразующий 4 информационных бита в 5 передаваемых. При этом синхронизация приемника осуществляется один раз на 4 бита, а не в каждом бите, как в случае манчестерского кода. Коды преобразования подобраны таким образом, чтобы изменение сигнала было как можно более частым независимо от вида передаваемых данных (табл. 1.1). 39 Т а б л и ц а 1.1. Кодирование в сетях FDDI Информационные биты Передаваемые биты 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 11110 01001 10100 10101 01010 01011 01110 01111 10010 10011 10110 10111 11010 11011 11100 11101 Требуемая полоса пропускания увеличивается по сравнению с кодом NRZ не в два раза, а всего в 1,25 раза. По тому же принципу строятся и другие коды, например 5В/6В, используемый в сетях 100VGAnyLAN, или 8В/10В, используемый в сетях Gigabit Ethernet. В сегменте 100BASE-T4 сетей Fast Ethernet используется код 8В/6Т, предусматривающий параллельную передачу трех трехуровневых сигналов по трем витым парам. Это позволяет достичь скорости передачи 100 Мбит/с на дешевых кабелях с витыми парами категории 3. При этом требуется больший расход кабеля и увеличение количества приемников и передатчиков, а кабели должны быть одинаковой длины, чтобы задержки сигнала в них не различались на заметную величину. 1.11 Методы контроля правильности передачи информации При передаче информации по некачественным каналам связи возможно появление ошибок, то есть искажений передаваемой информа40