Кодирование информации в компьютерных сетях. Виды кодов

1.

Кодирование информации в компьютерных
сетях. Виды кодов.
Люосев Дмитрий

2.

Введение
При передаче дискретных данных по каналам связи
применяются два основных типа физического
кодирования ― на основе синусоидального несущего
сигнала и на основе последовательности прямоугольных
импульсов. Первый способ часто называется также
модуляцией или аналоговой модуляцией, второй –
цифровым кодированием. Различия:
• ширина спектра результирующего сигнала;
• сложность
аппаратуры,
необходимой
для
их
реализации.

3.

Аналоговая модуляция
Аналоговая модуляция применяется для передачи дискретных данных по каналам с узкой
полосой частот, типичным представителем которых является канал тональной частоты, представляемый в распоряжение пользователям общественных телефонных сетей.
При физическом кодировании способом аналоговой модуляции информация кодируется
изменением амплитуды, частоты
или фазы синусоидального сигнала несущей частоты.

4.

Цифровое кодирование
Цели кодирования:
• наличие при одной и той же битовой скорости наименьшей ширины спектра результирующего сигнала;
• обеспечение синхронизации между передатчиком и
приёмником;
• обладание способностью распознавать ошибки;
• обладание низкой стоимостью реализации.

5.

Модуляционные коды
На рис. показано несколько широко используемых кодов модуляции. Каждому биту
данных ставится в соответствие определённый период сигнала,
который контролируется таймером. Таймером служит постоянная
цепочка
импульсов,
задающая временной
интервал для основной системы.

6.

Особенности модуляционных кодов
Формат
Символов
в бите
Внутренняя
Коэффициент
синхронизация заполнения (%)
NRZ
1
Нет
0-100
RZ
2
Нет
0-50
NRZI
1
Нет
0-100
2
Да
50
Миллер
1
Да
33-67
BIPHASE-M
2
Да
50
Манчестер
(BIPHASE-L)

7.

МЕТОДЫ КОДИРОВАНИЯ

8.

Биполярный импульсный код
Кроме потенциальных кодов в
сетях используются импульсные коды,
когда данные представлены полным
импульсом или же его частью.
Наиболее простым случаем такого подхода является биполярный
импульсный код, в котором единица представлена импульсом одной полярности, а ноль – другой. Каждый импульс длится половину такта.
Достоинства кода:
обладает отличными самосинхронизирующимися свойствами;
спектр шире, чем у потенциальных кодов.
Недостатки:
спектр у него шире, чем у потенциальных кодов.
Из-за слишком широкого спектра биполярный
используется редко.
импульсный
код

9.

Код Манчестер
Каждый такт делится
на две части. Информация кодируется
перепадами потенциала, происходящими в середине каждого такта. Единица
кодируется перепадом от низкого уровня сигнала к высокому, а ноль - обратным перепадом.
Так как сигнал изменяется, по крайней мере, один раз за такт передачи
одного бита данных, то манчестерский код обладает хорошими самосинхронизирующимися свойствами, но в отличие от кода RZ имеет не три, а только два
уровня, что улучшает его помехозащищённость.
Достоинства кода «Манчестера»
Легко выделить синхросигнал, это даёт возможность передавать информацию очень большими пакетами без потерь из-за рассинхронизации;
в сигнале отсутствует постоянная составляющая, что позволяет применять
для гальванической развязки импульсные трансформаторы;
не требуется дополнительного источника питания для линии связи;
легко решается проблема согласования.

10.

Код Миллер
В коде Миллер каждая 1 представляется изменением уровня
сигнала в середине периода бита. Для представления 0
используется либо отсутствие изменения уровня сигнала, если он
следует после 1, либо изменение в начале периода если он
следует за 0.

11.

Код Biphase-M
В коде Biphase-M (модифицированный двухфазный) каждый
период бита начинается с изменения уровня сигнала. Для представления 1 используется дополнительное изменение в середи-не
периода. Для представления 0 никаких дополнительных изменений не выполняется. Таким образом, 1 представляется как
высоким, так и низким уровнем сигнала в течение периода. Для
представления 0 используется либо низкий, либо высокий уровень сигнала в течение всего битового периода (но не оба уров-ня
одновременно).

12.

Код NRZ
Метод потенциального кодирования
NRZ (Non Return to Zero – без возврата к
нулю) – простейший код, представляющий
собой обычный цифровой сигнал (правда,
код может быть преобразован на обратную
полярность или изменены уровни, соответствующие нулю и единице) аналогичен "нормальным" цифровым данным. При передаче последовательности единиц сигнал не
возвращается к нулю в течение такта.
Достоинства кода NRZ
простая реализация
минимальная требуемая при данной скорости передачи пропускная способность
линии связи.
Наиболее частое изменение сигнала в сети
будет при непрерывном чередовании единицы и
нуля, то есть при 1010101010..., поэтому при скорости передачи в 10 Мбит/с (длительность одного
бита 100 нс) частота изменения сигнала и, соответственно, требуемая пропускная способность
линии составит 5 МГц. Период равен двум битам
информации.

13.

Код NRZ
Недостатки кода NRZ
не обладает свойством самосинхронизации;
наличие низкочастотной составляющей.
Для синхронизации начала приёма пакета используется стартовый служебный бит, чей уровень отличается от пассивного состояния линии связи.
Применяется в стандарте RS-232C. Передача информации в нём ведётся
байтами (8 бит), сопровождаемыми стартовым и стоповым битами. В чистом
виде код NRZ в сетях не используется, но используются его различные модификации. Одной из модификаций метода NRZ является метод биполярного кодирования с альтернативной инверсией (Bipolar Alternate Mark Inversion- AMI)

14.

Код AMI
В этом методе используются три
уровня потенциала – отрицательный, нулевой и положительный. Для кодирования логического нуля используется нулевой потенциал, а логическая единица кодируется либо положительным потенциалом, либо отрицательным, при этом потенциал каждой новой единицы противоположен потенциалу предыдущей.
Частично ликвидирует проблемы постоянной составляющей и отсутствия
самосинхронизации, присущие коду NRZ. Это происходит при передаче длинных
последовательностей единиц. В этих случаях сигнал на линии представляет собой последовательность разнополярных импульсов с тем же спектром, что и у
кода NRZ, передающего чередующиеся нули и единицы, то есть без постоянной
составляющей и с основной гармоникой N/2 Гц (где N – битовая скорость передачи данных). Длинные же последовательности нулей также опасны для кода
AMI, как и для кода NRZ – сигнал вырождается в постоянный потенциал нулевой
амплитуды.

15.

Код RZ
1. Код RZ представляет 0 в виде
сигнала низкого уровня. Для
представления 1 – уровень
сигнала высокий в течение
половины периода бита, а затем становится низким в оставшейся части периода.
2. Трёхуровневый код, в котором после значащего уровня сигнала в первой половине
передаваемого бита информации следует возврат к некоему "нулевому" уровню
(например, соответствующему нулевому потенциалу). Переход к нему происходит в
середине бита. Логическому нулю при этом соответствует положительный импульс,
логической единице – отрицательный (или наоборот).
Наиболее часто код RZ используется в оптоволоконных сетях. Правда, в них нет положительных и отрицательных уровней сигнала, поэтому используется
три
уровня:
отсутствие
света,
"слабый" свет, "сильный" свет (даже
когда нет передачи информации, свет
все равно есть, что позволяет легко
определить целостность оптоволоконной линии связи).

16.

Koд NRZI
Код NRZI (Non Return-to-Zero inverted, инвертированный без
возврата к нулю). Этот код, похож
на AMI, но только с двумя уровнями сигнала. При передаче нуля он передаёт потенциал, который был установлен в предыдущем такте (то есть не меняет его), а при передаче единицы потенциал инвертируется на противоположный. Важным моментом является то, что
не существует заданного соотношения между 1 и 0, а также между высоким и
низким уровнями. Бинарная единица может быть представлена как высоким
уровнем сигнала, так и низким.
Для совершенствования потенциальных кодов AMI и NRZI, используются
два метода (избыточное кодирование и скремблирование).

17.

Кодирование 4В/5В и 4В/8В
Схемы избыточной кодировки информации. 4-битовые блоки информации кодируются в 5-битовые слова или 8-битовые блоки – соответственно в 10-битовые слова.
Исходный код
Результирующий код
Исходный код
Результирующий код
0000
11110
1000
10010
0001
01001
1001
10011
0010
10100
1010
10110
0011
10101
1011
10111
0100
01010
1100
11010
0101
01011
1101
11011
0110
01110
1110
11100
0111
01111
1111
11101
Буква "В" в названии кода означает, что элементарный сигнал имеет 2 состояния (от
английского binary – двоичный). Использование таблицы перекодировки является очень
простой операцией, поэтому этот подход не усложняет сетевые адаптеры и интерфейсные
блоки коммутаторов и маршрутизаторов.

18.

Кодирование 4В/5В и 4В/8В
Системы кодирования 4В/5В и NRZI уровня PHY

19.

Кодирование 4В/5В и 4В/8В
После выполнения кодирования данных 4В/5В происходит дальнейшее,
теперь уже побитовое, кодирование NRZI.

20.

Скремблирование
Перемешивание данных скремблером перед передачей их в
линию с помощью потенциального кода. Методы скремблирования заключаются в побитном вычислении результирующего
кода на основании бит исходного кода и полученных в предыдущих тактах бит результирующего кода.
Предварительное "перемешивание" исходной информации
осуществляется таким образом, чтобы вероятность появления
единиц и нулей на линии становилась близкой.
Различные алгоритмы скремблирования отличаются количеством слагаемых, дающих цифру результирующего кода, и сдвигом
между слагаемыми. На-пример, 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.

21.

Скремблирование
Для улучшения кода Bipolar AMI
используются два метода, основанные
на искусственном искажении последовательности нулей запрещёнными
символами.
Код B8ZS исправляет только последовательности, состоящие из 8 нулей.
Код B8ZS построен так, что его
постоянная составляющая равна нулю
при
любых
последовательностях
двоичных цифр.
Код HDB3 исправляет любые четыре подряд идущих нуля в исходной
последовательности.
Улучшенные потенциальные коды обладают достаточно узкой полосой пропускания
для любых последовательностей единиц и нулей, которые встречаются в передаваемых
данных.
Этим
объясняется
применение
потенциальных
избыточных
и
скремблированных кодов в современных технологиях, вместо манчестерского и
биполярного импульсного кодирования.

22.

ОСОБЕННОСТИ КОДИРОВАНИЯ
ПРИ ПЕРЕДАЧЕ ПО ВИТОЙ ПАРЕ

23.

Схема кодирования МLТ-3
Эта схема реализует трёхуровневый выходной сигнала (+1, 0, -1). Схема
аналогична NRZI в том, что перепады уровня в выходном сигнале происходят
только тогда, когда на вход поступает 1. Причём, направление перехода из нулевого состояния в положительное или отрицательное определяется предысторией.
Максимальное число перепадов на выходе кодера имеет место тогда, когда
на вход подаётся последовательность из единиц.

24.

Спасибо за внимание.