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.
|
Таблица 1. Соотношение 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 МГц. 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 МГц при передаче сигнала, состоящего из одних нулей или одних единиц, и 5 МГц - 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 Мбит/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 Гц 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 бит, сопровождаемыми стартовыми и стоповыми битами.
Четвртая передача - код MLT-3
Код трехуровневой передачи MLT-3 (Multi Level Transmission - 3) имеет много общего с кодом NRZ. Важнейшее отличие - три уровня сигнала.
Единице соответствует переход с одного уровня сигнала на другой. Изменение уровня сигнала происходит последовательно с учетом предыдущего перехода. Максимальной частоте сигнала соответствует передача последовательности единиц. При передаче нулей сигнал не меняется. Информационные переходы фиксируются на границе битов. Один цикл сигнала вмещает четыре бита.
Недостаток кода MLT-3, как и кода NRZ - отсутствие синхронизации. Эту проблему решают с помощью преобразования данных, которое исключает длинные последовательности нулей и возможность рассинхронизации.
Редуктор - кодирование данных 4B5B
Протоколы, использующие код NRZ, чаще всего дополняют кодированием данных 4B5B. В отличие от кодирования сигналов, которое использует тактовую частоту и обеспечивает переход от импульсов к битам и наоборот, кодирование данных преобразует одну последовательность битов в другую.
В коде 4B5B используется пяти-битовая основа для передачи четырех-битовых информационных сигналов. Пяти-битовая схема дает 32 (два в пятой степени) двухразрядных буквенно-цифровых символа, имеющих значение в десятичном коде от 00 до 31. Для данных отводится четыре бита или 16 (два в четвертой степени) символов.
Четырех-битовый информационный сигнал перекодируется в пяти-битовый сигнал в кодере передатчика. Преобразованный сигнал имеет 16 значений для передачи информации и 16 избыточных значений. В декодере приемника пять битов расшифровываются как информационные и служебные сигналы. Для служебных сигналов отведены девять символов, семь символов - исключены.
Исключены комбинации, имеющие более трех нулей (01 - 00001, 02 - 00010, 03 - 00011, 08 - 01000, 16 - 10000). Такие сигналы интерпретируются символом V и командой приемника VIOLATION - сбой. Команда означает наличие ошибки из-за высокого уровня помех или сбоя передатчика. Единственная комбинация из пяти нулей (00 - 00000) относится к служебным сигналам, означает символ Q и имеет статус QUIET - отсутствие сигнала в линии.
Кодирование данных решает две задачи - синхронизации и улучшения помехоустойчивости. Синхронизация происходит за счет исключения последовательности более трех нулей. Высокая помехоустойчивость достигается контролем принимаемых данных на пяти-битовом интервале.
Цена кодирования данных - снижение скорости передачи полезной информации. В результате добавления одного избыточного бита на четыре информационных, эффективность использования полосы частот в протоколах с кодом MLT-3 и кодированием данных 4B5B уменьшается соответственно на 25%.
При совместном использовании кодирования сигналов MLT-3 и данных 4В5В четвертая передача работает фактически как третья - 3 бита информации на 1 герц несущей частоты сигнала. Такая схема используется в протоколе TP-PMD.
Пятая передача - код PAM 5
Рассмотренные выше схемы кодирования сигналов были битовыми. При битовом кодировании каждому биту соответствует значение сигнала, определяемое логикой протокола.
При байтовом кодировании уровень сигнала задают два бита и более.
В пятиуровневом коде PAM 5 используется 5 уровней амплитуды и двухбитовое кодирование. Для каждой комбинации задается уровень напряжения. При двухбитовом кодировании для передачи информации необходимо четыре уровня (два во второй степени - 00, 01, 10, 11). Передача двух битов одновременно обеспечивает уменьшение в два раза частоты изменения сигнала.
Пятый уровень добавлен для создания избыточности кода, используемого для исправления ошибок. Это дает дополнительный резерв соотношения сигнал / шум 6 дБ.
Код PAM 5 используется в протоколе 1000 Base T Gigabit Ethernet (см. Схема передачи Gigabit Ethernet). Данный протокол обеспечивает передачу данных со скоростью 1000 Мбит/с при ширине спектра сигнала всего 125 МГц.
Как это достигается? Данные передаются по всем четырем парам одновременно. Следовательно, каждая пара должна обеспечить скорость 250 Мбит/с. Максимальная частота спектра несущей при передаче двухбитовых символов кода PAM 5 составляет 62,5 МГц. С учетом передачи первой гармоники протоколу 1000 Base T требуется полоса частот до 125 МГц. Но о несущей, гармониках и полосе частот следует поговорить отдельно.
Ширина магистрали - требуемая полоса частот
Скорость движения зависит не только от возможностей автомобиля, но и от качества магистрали. То же самое справедливо и для передачи данных. Рассмотрим возможности информационных магистралей.
Кодирование сигналов - это способ преобразования тактовой частоты в скорость передачи данных. С какой целью выполняют преобразование? Для того, чтобы увеличить скорость без изменения частотного диапазона канала связи. Кодирование требует использования более сложной приемо-передающей аппаратуры. Это минус. Зато при переходе к более скоростным протоколам можно использовать те же кабели. А это уже большой плюс.
Например, протокол Fast Ethernet 100 Base T4 обеспечивает работу сети со скоростью 100 Мбит/с на кабелях категории 3 (16 МГц). Gigabit Ethernet 1000 Base T реализован таким образом, чтобы на базе каналов категории 5 (100 Мгц), имеющий некоторый резерв, передавать 1000 Мбит/с.
Ширина спектра сигнала
Сигнал, имеющий синусоидальную форму, называется гармоническим. Его параметры определяются частотой и амплитудой. Чем больше форма сигнала отличается от синусоиды, тем больше гармонических составляющих он несет. Частоты гармоник кратны частоте несущей. Стандарты электропитания, например, требуют оценки качества напряжения сигнала вплоть до тридцатой гармоники.
Диапазон частот сложного сигнала называется спектральной шириной сигнала. Он включает основную составляющую, которая определяет несущую, и гармонические составляющие, которые задают форму импульсов.
Восстановление формы импульсов производится на аппаратном уровне, поэтому гармонические составляющие убирают с помощью фильтров.
Спектральная ширина сигнала зависит от тактовой частоты, метода кодирования и характеристик фильтра передатчика.
Рисунок 6 иллюстрирует, как метод кодирования позволяет уменьшить частоту несущей. Для трех методов кодирования приведены ситуации, требующие максимальную частоту несущей. Один герц несущей передает один бит (1) при манчестерском кодировании, два бита (01) кода NRZ и четыре бита (1111) кода MLT-3. Фактор кодирования (передача) составляет соответственно один, два и четыре.
Другие комбинации битов требуют меньшей частоты. Например, при чередовании нулей и единиц частота несущей кода MLT-3 уменьшается еще в два раза, длительная последовательность нулей уменьшает частоту несущей до нуля.
Спектральную ширину сигнала не следует путать с тактовой частотой. Тактовая частота - это метроном, задающий темп мелодии. На рисунке 6 тактовой частоте соответствует скорость чередования битов. Спектральная ширина сигнала в данной аналогии это огибающая сигнала при условии, что она позволяет восстановить исходный импульсный сигнал.
В аналоговой передаче спектральная ширина - это мелодия, имеющая гораздо более широкий спектр. Если попытаться передать мелодию по телефону, придется пожертвовать спектром. Линия связи, имеющая узкую полосу пропускания, “обрежет” верхние гармоники. При этом, качество звучания мелодии на выходе узкополосного канала связи ухудшится.
При цифровой передаче для восстановления исходного сигнала требуется меньше гармоник, чем для аналогового. Технология передачи и приема цифровых сигналов позволяет восстановить исходный сигнал по несущей спектра. Однако для уменьшения коэффициента ошибок необходимо присутствие первой гармоники, что удваивает ширину спектра или частотный диапазон.
Однополосный и двухполосный сигналы
Сигнал, который не имеет спектральной энергии нулевой частоты, является двухполосным. У двухполосного ширина первой гармоники в два раза больше, чем у однополосного. Спектр сигнала после манчестерского кодирования является двухполосным. Кодирование методами NRZ, MLT-3 и PAM 5 дает однополосный сигнал.
Как было отмечено выше, код Манчестер-II дает две несущие частоты: 5 МГц и 10 МГц.
Частота 10 МГц передается с одной гармоникой (несущая и гармоники обозначены на рис. 7 красным цветом). Частота 5 МГЦ (обозначенная зеленым цветом) имеет три гармоники в верхнем диапазоне. Остальные гармоники обрезаются фильтрами.
Итак, при передаче однополосного сигнала, кодированного методом NRZ, со скоростью10 Мбит/с, требуется 10 МГц. Для двухполосного сигнала, который создается манчестерским десятимегабитным протоколом необходимо 20 МГц полосы пропускания.
Для спектра несущей протокола ATM 155, в котором реализован метод кодирования сигналов NRZ, а тактовая частота составляет 155,52 МГц, требуется полоса частот 77,76 МГц. С учетом одной несущей полоса сигнала составляет 155,52 МГц.
Стандартный канал категории 5 максимальной длины обеспечивает полосу 100 Мгц с запасом сигнал / шум 3,1 дБ. Нулевой запас превышения мощности сигнала на шумом при этом будет на частоте 115 МГц. Таким образом, анализ спектра позволяет сделать вывод о недостаточной ширине информационной магистрали.
Кроме ширины магистрали качество полотна зависит от неровностей. Применительно к кабельным каналам это отношение сигнал / шум, которое зависит в первую очередь от качества стыков - разъемных соединений. Волновая природа шумов и несоответствие категории 5 требованиям протоколов класса D подробно освещается в статье Дефицит категории 5.
Выводы
Методы кодирования и сложные схемы, использующие все витые пары, обеспечивают увеличение скоростей передачи данных без пропорционального увеличения диапазона частот среды передачи или ширины информационных магистралей.
Анализ методов кодирования позволяет сделать вывод о том, что системы категории 5 имеют дефицит ресурсов даже для приложений своего класса. Современные информационные магистрали требуют более тщательной подготовки для перехода от десятимегабитных приложений к высокоскоростным протоколам.
