физическое и логическое кодирование

Физическое и логическое кодирование

7. ФИЗИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

7.3. Логическое кодирование

Соответствие исходных и результирующих кодов 4В/5В представлено ниже.

Код 4В/5В затем передается по линии с помощью физического кодирования по одному из методов потенциального кодирования, чувствительному только к длинным последовательностям нулей. Символы кода 4В/5В длиной 5 бит гарантируют, что при любом их сочетании на линии не могут встретиться более трех нулей подряд.

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.

Перемешивание данных скрэмблером перед передачей их в линию с помощью потенциального кода является другим способом логического кодирования. Методы скрэмблирования заключаются в побитном вычислении результирующего кода на основании бит исходного кода и полученных в предыдущих тактах бит результирующего кода. Например, скрэмблер может реализовывать следующее соотношение :

,

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

B_i = A_i = 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.

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.

В частности, для улучшения кода Bipolar AMI используются методы, основанные на искусственном искажении последовательности нулей запрещенными символами. На рис. 30 показано использование метода B8ZS ( Bipolar with 8-Zeros Substitution ) для корректировки кода AMI. Исходный код состоит из двух длинных последовательностей нулей.

Рис. 31. Спектры потенциальных и импульсных кодов

Источник

Глава 4. Физическое и логическое кодирование данных

Каждый вид компьютеров имеет свой внутренний вид кодирования для представления данных – символьной и текстовой информации. Наиболее часто используются коды ASCII (American Standard Code for Information Interchange, американский стандартный код для обмена информацией) и EBCDIC (Extended Binary Coded Decimal Interchange Code, расширенный двоично-десятичный код обмена информацией).

ASCII представляет собой 8-битную кодировку для представления десятичных цифр, латинского и национального алфавитов, знаков препинания и управляющих символов. Первую половину кодовой таблицы (0 — 127) занимают символы US-ASCII, которые включают 95 печатаемых и 33 управляющих символа (разработана ANSI – Американским институтом национальных стандартов). Вторая половина таблицы (128 — 255) содержит национальные шрифты (кириллица) и символы псевдографики. Этот код используется в персональных компьютерах и в несовместимых с IBM больших машинах. На больших компьютерах (мейнфреймах) используется 8-битовый код EBCDIC, разработанный компанией IBM. При передаче данных от одного компьютера к другому может потребоваться перекодировка символов, которая осуществляется системным МО передающего или принимающего компьютеров. Эти действия являются функциями уровня представления модели OSI. Далее рассмотрим наиболее часто применяемые методы кодирования на физическом уровне.

В большинстве компьютерных сетей цифровые данные передаются при помощи цифрового сигнала, т.е. последовательностью импульсов. Для передачи данных может использоваться более двух уровней сигнала, при этом единичный импульс сигнала может представлять не один бит, а группу бит. Возможна обратная ситуация, когда для передачи одного бита может использоваться два импульса сигнала.

При цифровой передаче используют потенциальные и импульсные коды. В потенциальных кодах для представления логических единиц и нулей используется только значение сигнала в течение битового интервала, а фронты сигнала, формирующие законченные импульсы, во внимание не принимаются. Импульсные коды представляют логический ноль и логическую единицу перепадом потенциала определенного направления. В значение импульсного кода включается весь импульс вместе с его фронтами.

Сигнал в виде импульсной последовательности имеет бесконечный спектр. Основная энергия сигнала сосредоточена в диапазоне частот от нуля до частоты f=1/t_о (первый лепесток энергетического спектра сигнала), где t_о – бодовый интервал, то есть длительность единичного импульса линейного сигнала.

Теоретически в соответствии с пределом Найквиста максимально допустимая скорость изменения значений дискретного сигнала (B=1/t_о, скорость передачи в Бодах) при передаче последовательности прямоугольных импульсов по каналу связи, эквивалентом которого является идеальный ФНЧ с прямоугольной АЧХ и линейной ФЧХ и с частотой среза f_гр, равна B_max=2f_гр.Указанное ограничение связано с наличием переходных процессов на выходе ФНЧ, при этом время нарастания/спада фронта сигнала определяется как .

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).

Источник

4. Логическое кодирование. Физическое кодирование. Виды кодов.

Логическое кодирование преобразует поток бит сформированного кадра MAC-уровня в последовательность символов, подлежащих физическому кодированию для передачи по линии связи. В простейшем случае это кодирование отсутствует (его можно считать и прозрачным), тогда каждый бит входного потока отображается соответствующим битом выходного. Для логического кодирования используются следующие схемы:

4B/5B – каждые 4 бита входного потока кодируются 5-ти битным символом. При этом получается 2-х кратная избыточность (2 4 =16, 2 5 =32). Накладные расходы по количеству битовых интервалов составляют (5-4)/4=1/4=25%. Избыточность выходного кода позволяет определить ряд служебных символов, используемых для поддержания синхронизации, выделения служебных полей кадров и иных целей на физическом уровне. Применяется в FDDI, 100BaseFX/TX.

Избыточность логического кодирования позволяет облегчить решение задач физического кодирования – исключить «неудобные» битовые последовательности, например длинные цепочки 0 или 1, увеличить кодовое расстояние, улучшить спектральные характеристики физического сигнала и передавать специальные служебные сигналы.

Физическое кодирование определяет правила представления дискретных символов (продуктов логического кодирования) в физические (электрические или оптические) сигналы линии. Физические сигналы могут иметь аналоговую форму – в принципе бесконечное число значений, из которых выбирают допустимое распознаваемое множество. На уровне физических сигналов вместо битовой скорости оперируют понятием скорости изменения сигнала в линии, измеряемой в бодах. Под этой скоростью понимается число изменений различимых состояний линии в единицу времени. В простейших случаях двухуровневого кодирования эти скорости совпадают, но для повышения эффективности использования полосы пропускания линии стремятся к более выгодным соотношениям.

На физическом уровне должно осуществляться синхронизация передатчика и приемника. Внешняя синхронизация – передача тактового сигнала, отмечающего битовые интервалы – практически не применяется из-за дороговизны реализации дополнительного канала. Ряд схем физического кодирования являются самосинхронизирующимися – они позволяют выделять синхросигнал из принимаемой последовательности состояний линии. Ряд схем позволяет выделять синхросигнал не для всех кодируемых символов, для таких схем логическое кодирование за счет избыточности должно исключать нежелательные комбинации.

Скремблирование на физическом уровне позволяет подавить слишком сильные спектральные составляющие сигнала, «размазывая» их по некоторой полосе спектра. Слишком сильные составляющие вызывают нежелательные помехи на соседние линии передачи и излучение в окружающую среду.

Потенциальное кодирование – информативным является уровень сигнала в определенные моменты времени.

Транзитивное кодирование – информативным является переход из одного состояния в другое.

Униполярное – сигнал одной полярности используется для представления одного значения, нулевой сигнал – для другого.

Полярное – сигнал одной полярности используется для представления одного значения, сигнал другой – для другого. При оптоволоконной передаче используются два хорошо различимых значения амплитуды импульса.

Биполярное – использует +,- и 0 значения для представления трех состояний.

Двухфазное – в каждом битовом интервале присутствует переход от одного состояния к другому, что используется для выделения синхросигнала.

1 0 1 1 0 0 0 1

1 0 1 1 0 0 0 1

Источник

Физическое кодирование

Физическое кодирование (линейное кодирование, манипуляция сигнала, модуляция, импульсно-кодовая модуляция) — представления дискретных сигналов, передаваемых по цифровому каналу связи, с целью передачи данных, представленных в цифровом виде, на расстояние по физическому каналу связи (такому как оптическое волокно, витая пара, коаксиальный кабель, инфракрасному излучению). Физическое кодирование также применяется для записи данных на цифровой носитель. При физическом кодировании обращают внимание на характеристики формируемого сигнала: ширину полосы частот, гармонический состав сигнала, способность к синхронизации приёмника с передатчиком. При физическом кодировании решаются вопросы синхронизации, управления полосой пропускания сигнала, скорость передачи данных и расстояние на которое необходимо передать данные.

Различают виды передачи дискретных сигналов:

Иерархия кодирования

Система кодирования сигналов имеет иерархию.

Физическое кодирование

Нижним уровнем в иерархии кодирования является физическое кодирование, которое определяет число дискретных уровней сигнала (амплитуды напряжения, амплитуды тока, амплитуды яркости).

Физическое кодирование рассматривает кодирование только на самом низшем уровне иерархии кодирования — на физическом уровне и не рассматривает более высокие уровни в иерархии кодирования, к которым относятся логические кодирования различных уровней.

С точки зрения физического кодирования цифровой сигнал может иметь два, три, четыре, пять и т. д. уровней амплитуды напряжения, амплитуды тока, амплитуды света.

Ни в одной из версий технологии Ethernet не применяется прямое двоичное кодирование бита 0 напряжением 0 вольт и бита 1 — напряжением +5 вольт, так как такой способ приводит к неоднозначности. Если одна станция посылает битовую строку 00010000, то другая станция может интерпретировать её либо как 10000, либо как 01000, так как она не может отличить «отсутствие сигнала» от бита 0. Поэтому принимающей машине необходим способ однозначного определения начала, конца и середины каждого бита без помощи внешнего таймера. Кодирование сигнала на физическом уровне позволяет приемнику синхронизироваться с передатчиком по смене напряжения в середине периода битов.

В некоторых случаях физическое кодирование решает проблемы:

Логическое кодирование

Вторым уровнем в иерархии кодирования является самый нижний уровень логического кодирования с разными назначениями.

В совокупности физическое кодирование и логическое кодирование образуют систему кодирования низкого уровня.

Форматы кодов

Каждый бит кодового слова передается или записывается с помощью дискретных сигналов, например, импульсов. Способ представления исходного кода определенными сигналами определяется форматом кода. Известно большое количество форматов, каждый из которых имеет свои достоинства и недостатки и предназначен для использования в определенной аппаратуре.

Направление перепада при передаче сигнала единицы не имеет значения. Поэтому изменение полярности кодированного сигнала не влияет на результат декодирования. Он может передаваться по симметричным линиям без постоянной составляющей. Это также упрощает его магнитную запись. Этот формат известен также под названием «Манчестер 1». Он используется в адресно-временном коде SMPTE, широко применяющемся для синхронизации носителей звуковой и видеоинформации.

Системы с двухуровневым кодированием

NRZ (Non Return to Zero)

NRZ (Non Return to Zero, с англ. — «без возвращения к нулю») — двухуровневый код. Логическому нулю соответствует нижний уровень, логической единице — верхний уровень. Информационные переходы происходят на границе значащих интервалов (значащий момент).

Варианты представления кода NRZ

Различают несколько вариантов представления кода:

Достоинства NRZ-кода

Недостатки NRZ-кода

NRZI (Non Return to Zero Invertive)

NRZI (Non Return to Zero Invertive) — потенциальный код с инверсией при единице, код формируется путем инверсного состояния при поступлении на вход кодирующего устройства логической единицы, при поступлении логического нуля состояние потенциала не меняется. Этот метод является модифицированным методом Non Return to Zero (NRZ).

Поскольку код не защищен от долгих последовательностей логических нулей или единиц, то это может привести к проблемам синхронизации. Поэтому перед передачей, заданную последовательность битов рекомендуется предварительно закодировать кодом предусматривающим скремблирование (скремблер предназначен для придания свойств случайности передаваемой последовательности данных с целью облегчения выделения тактовой частоты приемником). Используется в Fast Ethernet 100Base-FX и 100Base-T4.

Достоинства NRZI кода

Недостатки NRZI кода

Манчестерское кодирование

При манчестерском кодировании каждый такт делится на две части. Информация кодируется перепадами потенциала в середине каждого такта. Различают два варианта манчестерского кодирования:

В начале каждого такта может происходить служебный перепад сигнала, если нужно представить несколько единиц или нулей подряд. Так как сигнал изменяется по крайней мере один раз за такт передачи одного бита данных, то манчестерский код обладает самосинхронизирующими свойствами. Обязательное наличие перехода в центре бита позволяет легко выделить синхросигнал. Допустимое расхождение частот передачи — до 25 % (это означает, что код Манчестер-2 — самый устойчивый к рассинхронизации, он самосинхронизуется в каждом бите передаваемой информации).

Плотность кода 1 бит/герц. В спектре сигнала, закодированного Манчестером-2, присутствует 2 частоты — частота передачи и половинная частота передачи (она образуется когда рядом стоят 0 и 1 или 1 и 0. При передаче гипотетической последовательности одних 0 или 1 в спектре будет присутствовать только частота передачи).

Достоинства манчестерского кодирования

Код Миллера

Код Миллера (иногда называют трехчастотным) — является двуполярным двухуровневым кодом, в котором каждый информационный бит кодируется комбинацией из двух битов <00, 01, 10, 11>, а переходы из одного состояния в другое описываются графом. При непрерывном поступлении логических нулей или единиц на кодирующее устройство переключение полярности происходит с интервалом T, а переход от передачи единиц к передаче нулей с интервалом 1,5T. При поступлении на кодирующее устройство последовательности 101 возникает интервал 2Т, по этой причине данный метод кодирования называют трехчастотным.

Преимущества

Недостатки

Системы с трёхуровневым кодированием

RZ (return to zero)

RZ (return to zero)(англ. кодирование с возвращения к нулю) — биполярный код с возвращением к нулю (трехуровневый). Согласно RZ-коду, каждый бит передается перепадом с одного уровня на нулевой, в середине значащего интервала так: логическому нулю соответствует переход с верхнего уровня на нулевой уровень, логической единице соответствует переход с нижнего уровня на нулевой уровень. Требует в 2 раза больше скорости переключения состояний по сравнению со скоростью переключения согласно коду NRZ.

Биполярный код AMI

AMI (Alternate mark inversion) код — обладает хорошими синхронизирующими свойствами при передаче серий единиц и сравнительно прост в реализации. Недостатком кода является ограничение на плотность нулей в потоке данных, поскольку длинные последовательности нулей ведут к потере синхронизации. Используется в телефонии уровня передачи данных, когда используются потоки мультиплексирования.

AMI-код использует следующие представления битов:

HDB3 (биполярный код с высокой плотностью третьего порядка)

Код HDB3 (биполярный код с высокой плотностью третьего порядка) исправляет любые 4 подряд идущих нуля в исходной последовательности. Правило формирования кода следующее: каждые 4 нуля заменяются 4 символами в которых имеется хотя бы один сигнал V. Для подавления постоянной составляющей полярность сигнала V чередуется при последовательных заменах. Для замены используются два способа:

V-сигнал единицы запрещённого для данного сигнала полярности

Преимущества MLT-3 кода

Гибридный троичный код

4B3T (4 Binary 3 Ternary, когда 4 двоичных символа передаются с помощью 3 троичных символов) — cигнал на выходе кодирующего устройства, согласно коду 4B3T, является трехуровневым, то есть на выходе кодирующего устройства формируется сигнал с тремя потенциальными уровнями. Код формируется, например, согласно таблице кодирования MMS43. Таблица кодирования:

Системы с четырёхуровневым кодированием

2B1Q (Потенциальный код 2B1Q)

2B1Q (2 Binary 1 Quaternary) — потенциальный код 2B1Q (в некоторой литературе называется PAM-5) передает пару бит за один значащий интервал. Каждой возможной паре в соответствие ставится свой уровень из четырех возможных уровней потенциала.

Источник

Физическое кодирование

Физическое кодирование — способы представления данных в виде электрических или оптических импульсов.

Ни в одной из версий технологии Ethernet не применяется прямое двоичное кодирование бита 0 напряжением 0 вольт и бита 1 — напряжением +5 вольт, так как такой способ приводит к неоднозначности. Если одна станция посылает битовую строку 00010000, то другая станция может интерпретировать её либо как 10000, либо как 01000, так как она не может отличить «отсутствие сигнала» от бита 0. Поэтому принимающей машине необходим способ однозначного определения начала, конца и середины каждого бита без помощи внешнего таймера. Кодирование сигнала на физическом уровне позволяет приемнику синхронизироваться с передатчиком по смене напряжения в середине периода битов.

Содержание

Иерархия кодирования

Система кодирования сигналов имеет многоуровневую иерархию.

Физическое кодирование

Логическое кодирование

Вторым уровнем в иерархии кодирования является самый нижний уровень логического кодирования с разными назначениями.
В совокупности физическое кодирование и логическое кодирование образуют систему кодирования самого низшего уровня.

Системы кодирования

Наиболее часто используемые системы кодирования:

Системы с двухуровневым кодированием

Простейший код, обычный цифровой (дискретный) сигнал (может быть преобразован на обратную полярность или изменены уровни соответствующие нулю и единице).

Манчестерский код

Получил наибольшее распространение в сетях с электрическими кабелями. Является самосинхронизирующимся, то есть несущим в себе синхроимпульс. Имеет два уровня. Логическому нулю соответствует положительный переход в центре бита, то есть первая половина битового интервала — низкий уровень, вторая половина — высокий. Логической единице соответствует отрицательный переход в центре бита. Обязательное наличие перехода в центре бита позволяет легко выделить синхросигнал. Допустимое расхождение часов — до 25 %. При передаче цепочки бит из одних нулей или единиц необходима частота в 10 МГц при скорости в 10 Мбит/сек. Важным достоинством манчестерского кода является возможность обеспечить гальваническую развязку с помощью трансформатора, так как у него отсутствует постоянная составляющая.

NRZI — Non Return to Zero Invertive (инверсное кодирование без возврата к нулю). Этот метод является модифицированным методом Non Return to Zero (NRZ), где для представления 1 и 0 используются потенциалы двух уровней. В коде NRZ I также используется 2 потенциала, но его текущее значение зависит от предыдущего. Если текущее значение бита “1”, то полученный потенциал должен быть инверсией от предыдущего, если значение бита “0” — такой же.

Поскольку код незащищен от долгих последовательностей “нулей” или “единиц”, то это может привести к проблемам синхронизации. Поэтому перед передачей, заданную последовательность битов рекомендуется предварительно закодировать кодом предусматривающим скремблирование (скремблер предназначен для придания свойств случайности передаваемой последовательности данных с целью облегчения выделения тактовой частоты приемником). Используется в Fast Ethernet 100Base-FX и 100Base-T4.

Системы с трёхуровневым кодированием

Это трехуровневый код. После значащего уровня сигнала в первой половине передаваемого бита информации следует возврат к нулевому уровню. Переход к нему происходит в середине бита. Логическому нулю при этом соответствует положительный импульс, логической единице — отрицательный. Здесь на 1 бит приходится 2 изменения уровня напряжения, поэтому для скорости в 10 Мбит/сек требуется пропускная способность в 10 МГц.

MLT-3 Multi Level Transmission — 3 (многоуровневая передача) — немного схож с кодом NRZ, но в отличие от последнего имеет три уровня сигнала. Единице соответствует переход с одного уровня сигнала на другой, причем изменение уровня сигнала происходит последовательно с учетом предыдущего перехода. При передаче “нуля” сигнал не меняется.

Этот код, так же как и NRZ нуждается в предварительном кодировании. Используется в Fast Ethernet 100Base-TX.

Источник