Кодирование информации в локальных сетях

Информация в кабельных сетях передается в закодированном виде - каждому биту передаваемой информации соответствует свой набор уровней электрических или световых сигналов в сетевом кабеле[1].

Код NRZ

Код NRZ (Non Return to Zero - без возврата к нулю) - это простейший код который представляет собой цифровой сигнал (рис. 8). Логической единице соответствует высокий уровень напряжения в кабеле, логическому нулю - низкий уровень напряжения (или наоборот). В течение битового интервала (bit time, BT), то есть за время передачи одного бита не происходит никаких изменений уровня сигнала в кабеле.

К достоинствам этого кода относятся его относительно простая реализация (исходный сигнал не надо ни кодировать на передающем конце, ни декодировать на приемном конце), а также максимальная среди других кодов пропускная способность среды передачи информации, требуемая при данной скорости передачи.

Недостатком кода NRZ является возможность потери синхронизации приемником во время приема слишком длинных блоков информации. Приемник может привязывать момент начала приема только к первому (стартовому) биту пакета, а в течение приема пакета он вынужден пользоваться только внутренним тактовым генератором (внутренними часами). Если передается продолжительная последовательность нулей или последовательность единиц, то приемник может определить, где проходят границы битовых интервалов, только используя внутренние часы. Временной сдвиг к концу приема большого пакета может превысить длительность одного или нескольких бит. В результате произойдет потеря переданной информации. Поэтому код NRZ используется только для передачи короткими пакетами (1 Кб).

Три других кода (RZ, бифазный код, манчестерский код) принципиально отличаются от NRZ тем, что сигнал имеет дополнительные переходы (фронты) в пределах одного битового интервала. Это сделано для того, чтобы приемник мог подстраивать свои внутренние часы под принимаемый сигнал на каждом битовом интервале. Такой приемник может с высокой степенью надежности надежно принимать последовательности любой длины. Такие коды называются самосинхронизирующимися.

Код RZ

Код RZ (Return to Zero - с возвратом к нулю) - этот трехуровневый код получивший такое название потому, что после значащего уровня сигнала в первой половине битового интервала следует возврат к «нулевому», среднему уровню.

Переход к этому уровню происходит в середине каждого битового интервала. Логическому нулю соответствует положительный импульс, логической единице - отрицательный (или наоборот) в первой половине каждого битового интервала. В середине каждого битового интервала есть переход сигнала (положительный или отрицательный), из которого приемник может выделить синхроимпульс (строб). Возможна временная привязка не только к началу пакета, как в случае кода NRZ, но и к любому отдельному биту. Это гарантирует отсутствие потери синхронизации при любой длине пакета.

Недостаток данного кода заключается в том, что для него требуется вдвое большая полоса пропускания канала при той же скорости передачи по сравнению с NRZ (на один битовый интервал приходится два изменения уровня сигнала). Кроме того, наличие трех уровней усложняет оборудование, повышает стоимость приемника и передатчика.

Код RZ применяется как в сетях на основе электрического кабеля, так и в оптоволоконных сетях. В этом случае используется три уровня: «сильный» свет, «средний» свет, и его отсутствие. Это удобно для диагностики: даже когда нет передачи информации, свет все равно присутствует, что позволяет определить целостность волоконно-оптической линии связи.

Манчестерский код

Манчестерский код (или код Манчестер-II) чаще всего используется в локальных сетях. Он относится к самосинхронизирующимся кодам, но в отличие от RZ имеет меньшее количество уровней (два), что способствует его лучшей помехозащищенности и упрощению аппаратуры приемника и передатчика. Логическому нулю соответствует положительный переход в середине битового интервала (первая половина битового интервала – низкий уровень, вторая половина – высокий), а логическая единица представляется отрицательным переходом в середине битового интервала (или наоборот).

Как и в коде RZ, наличие перехода в середине бита позволяет приемнику манчестерского кода выделять из пришедшего набора пакетов синхросигнал, что позволяет передавать информацию сколь угодно большими последовательностями. Как и в случае применения кода RZ приемник легко может определить начало передаваемой последовательности бит и ее конец, вне зависимости от ее длинны.

Манчестерский код используется не только в электрических, но и в волоконно-оптических линиях связи (один уровень соответствует отсутствию света, а другой – его наличию).

Бифазный код

Бифазный код считают разновидностью манчестерского, так как их характеристики аналогичны. Данный код отличается от классического манчестерского кода способом монтажа проводов кабеля в сети.

Модуляция сигналов

В некоторых случаях в сетях используется и другой способ кодирования - модуляция информационными импульсами высокочастотного аналогового синусоидального сигнала. Такое аналоговое кодирование позволяет при переходе на широкополосную передачу увеличить пропускную способность канала связи (доступна передача несколько бит одновременно). К самым простым видам аналогового кодирования относятся:

- амплитудная модуляция (АМ, AM – Amplitude Modulation), при которой логической единице соответствует наличие сигнала (сигнал большей амплитуды), а логическому нулю – отсутствие сигнала (сигнал меньшей амплитуды). Частота сигнала при этом не изменяется. Недостаток амплитудной модуляции - подверженность действию помех и шумов и повышенные требования к затуханию сигнала в канале связи. Достоинства – простота аппаратурной реализации и узкий частотный диапазон.

- частотная модуляция (ЧМ, FM - Frequency Modulation), при которой логическому нулю соответствует сигнал более низкой частоты, а логической единице сигнал более высокой частоты (или наоборот). Амплитуда сигнала при частотной модуляции остается постоянной.

- фазовая модуляция (ФМ, PM – Phase Modulation) Смене логического нуля на логическую единицу и наоборот соответствует резкое изменение фазы синусоидального сигнала неизменной частоты и амплитуды.

Применяются и значительно более сложные методы кодирования и модуляции, которые являются комбинацией перечисленных методов.


[1] Кондратенко С., Новиков Ю. Основы локальных сетей [Электронный ресурс]