Кодирование битовой последовательности

Что бы избежать в дальнейшем терминологической путаницы, нужно разделить кодирование битовой последовательности в электрический сигнал, и кодирование данных, которое преобразует одну последовательность битов в другую. Процессы эти принципиально различны по сути, но логически тесно связаны. Дело в том, что для разных способов передачи применяются разные формы представления данных.

Рассмотрим операции, которые требуются для передачи и последующего приема битовой последовательности:

• 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 аналогового сигнала в цифровой.

Битовый поток передается со скоростью, определяемой числом бит (дискретных изменений сигнала) в единицу времени. Тактовая частота, измеряемая в герцах, означает число синусоидальных изменений сигнала в единицу времени.

Такое очевидное соответствие часто вызывает ошибочное сопоставление скорости передачи данных и тактовой частоты. Но на практике все сложнее. Данные могут передаваться не только битами, но и их группами, иметь не два, а 3, 5, и более уровней напряжения. Или даже передаваться по нескольким парам параллельно.

Классический Ethernet, пожалуй, последняя из распространенных технологий передачи данных в которой кодирование данных не применяется. При помощи алгоритма Манчестер-2 в линию передаются битовые последовательности (прямо с МАС-уровня).

Рис. 9.6. Кодирование Манчестер-2, NRZI, MLT-3.

Из рисунка легко видеть, что в этом случае сигнал имеет две несущие частоты. При передаче только нулей, или только единиц - 10 МГц, и 5 МГц при чередовании нулей и единиц.

Большое достоинство этого кода - отсутствие постоянной составляющей при передаче длинной серии нулей или единиц. Изменение сигнала в центре каждого бита позволяет не принимать специальных мер для синхронизации приема-передачи.

Следующий простейший двухуровневый код - NRZ (Non Return to Zero), или "без возврата к нулю". Нулевому значению соответствует нижний уровень сигнала, единице - верхний. Переходы электрического сигнала происходят на границе битов.

Достоинство кода в его простоте. Из рисунка видно, что кодировка по сути отсутствует. Еще один плюс - даже при самой неудачной последовательности данных (чередование нулей и единиц) скорость передачи данных вдвое превышает частоту. Для других комбинаций частота будет меньше, и при одинаковых битах частота изменения сигнала равна нулю.

К недостаткам NRZ (или инвертированного NRZI) можно отнести то, что он не имеет синхронизации. Поэтому, применяют искусственные меры - например не допускают появления длинных последовательности одинаковых байтов, или используют специальный стартовый служебный бит.

Используется кодировка NRZI в основном для работы с оптоволоконной средой (PHY FX), и протоколами 100Base-FX.

Код трехуровневой передачи MLT-3 (Multi Level Transmission - 3) несколько похож на NRZ, только с тремя уровнями сигнала. Единице соответствует переход с одного уровня сигнала на другой, и изменение уровня сигнала происходит последовательно, с учетом предыдущего перехода. Максимальной частоте сигнала соответствует передача последовательности единиц, при передаче нулей сигнал не меняется. Основной недостаток кода MLT-3 такой же, как и NRZ - отсутствие синхронизации.

Применение MLT-3 - сети 100base-T на основе витой пары (PHY TX). Наличие двух методов кодирования для протоколов одной скорости вызвано отличием физических сред. Для оптоволокна технически невозможно использовать кодирование, отличное от двухуровневого, но оно имеет достаточно широкую полосу пропускания. С другой стороны, витая пара очень критична к полосе пропускания, и трехуровневое (или пятиуровневое для 1000base-T) кодирование позволяет значительно снизить частоту несущей.

На рисунке 9.7. электрические сигналы изображены в виде прямоугольников. Но в реальности формировать такую их форму очень сложно, и применяются гармонические (синусоидальные) колебания. Если говорить точнее, то используется сумма основной составляющей (несущей частоты), и высших гармоник, задающих форму импульсов. Совокупность нескольких таких колебаний называется спектр.

Рис. 9.7. Реальный вид сигнала при использовании протокола 100baseT (MLT-3).

В теории, цифровой метод передачи позволяет восстановить исходный сигнал только несущей спектра. Но в реальности удовлетворительной помехоустойчивости удается достигнуть только с использованием первой гармоники. Это удваивает ширину спектра, необходимого для передачи сигналов.

Так, из рисунка 9.7. можно видеть, что для передачи 100 Мбит информации с использованием метода кодирования MLT-3, необходима несущая, частотой 25 Мгц. С учетом первой гармоники, требования повышаются до 50 МГц. А с учетом избыточного кодирования 4B/5B, необходимо уже 62,5 МГц.

Аналогично, для передачи 10 Мбит с кодировкой Манчестер-2, требуется полоса пропускания в 20 Мгц. Эта величина окончательная, так как в этом случае избыточное кодирование не применяется.

Физическое кодирование (PCS)

Как уже было показано выше, коды MLT-3 и NRZI не являются самосинхронизирующимся. Передача длинной последовательности единиц или нулей подряд приведет к потере несущей, и ошибкам приема.

Для исключения таких цепочек применяют кодирование данных 4B/5B, в котором используется пяти-битовая основа для передачи четырех-битовых сигналов. Кроме синхронизации, этот метод улучшает помехоустойчивость благодаря контролю принимаемых данных на пяти-битном интервале. Очевидная цена кодирования данных - снижение на 25% скорости передачи полезной информации.

Преобразованный пяти-битовый сигнал имеет 16 значений для передачи информации, и 16 избыточных значений, из которых для служебных сигналов отведены девять символов, а семь комбинаций, имеющие более трех нулей - не используются. Исключенные сигналы (01 - 00001, 02 - 00010, 03 - 00011, 08 - 01000, 16 - 10000) интерпретируются символом V (VIOLATION - сбой).

Наличие служебных символов позволяет применять схему непрерывного обмена сигналами между передатчиком и приемником. Это позволяет сетям 100base-T осуществлять более эффективные методы доступа к физической среде по сравнению с 10Base-T.

Необходимо обратить внимание, что именно методам кодирования обязан рост скоростей передачи как в Ethernet, так и других технологий передачи данных (например xDSL), с использованием прежней кабельной инфраструктуры. Выше показано, как переход на другой способ кодирования способен снизить требуемую полосу пропускания почти на 40%.

Еще более заметно это на протоколе 1000base-T - в нем современные методы кодирования успешно используются для серьезного повышения скорости передачи. Если посмотреть на проблему с другой стороны, то можно показать возможность передачи с небольшой скоростью 10 мегабит на расстояние до 3 километров. Подробнее этот вопрос будет рассмотрен в следующих главах.

В заключение, отметим еще один важный момент. В PHY TX есть специальный механизм шифрования-дешифрования (scrambler/descrambler). Определен он в спецификации ANSI TP-PMD, и используется для равномерного распределения сигнала по частотному спектру. Что, в свою очередь, уменьшает электромагнитное излучение кабеля.

Независимый от среды интерфейс (MII) и подуровень согласования (Reconciliation)

Во времена использования 10base5 для доступа к конкретной среде передачи данных применялось отдельное устройство (трансивер), которое было логически связанно с сетевым адаптером или повторителем специальным кабелем снижения (до 50 метров длиной, амплитуда сигнала 12 вольт, 15 контактов в разъеме). При этом на логическом уровне использовался независимый от конечной среды передачи интерфейс AUI (Attachment Unit Interface, интерфейс подключения устройства). Кодирование данных не производилось вообще, а кодирования битовой последовательности в электрический сигнал происходило в сетевом адаптере.

Введение стандарта Fast Ethernet (802.3u) потребовало новой, более скоростной и удобной связи MAC и PHY уровней. Для этого используется независимый от среды интерфейс (MII), имеющий, в случае внешнего исполнения, большой по размеру разъем с 40 контактами, длину кабеля не более 1 метра, и амплитуду сигналов в 5 вольт.

Но обычно на практике шина MII интегрирована в одной микросхеме с другими логическими элементами сетевого адаптера (повторителя), и имеет структуру, далекую от канонического вида.

Канал передачи данных от подуровня MAC к PHY образован 4-битной шиной данных, которая синхронизируется тактовым сигналом, генерируемым PHY, а также сигналом "Передача", исходящим от MAC-подуровня. Подобно устроен прием данных - это другая 4-битной шина, синхронизирующаяся тактовым сигналом и сигналом "Прием", которые генерируются PHY.

Обмен командами управления идет по отдельной двухпроводной шине. Подуровни могут передавать друг другу сообщения об возникших ошибках ("ошибка приема", "ошибка передачи"). Кроме этого, данные о конфигурации, состоянии порта и линии хранятся соответственно в регистрах управления (Control Register) и статуса (Status Register).

• Регистр управления. Используется для установки скорости и параметров работы порта.
• Регистр статуса. Содержит информацию о действительном состоянии работы порта.

Кроме связи между подуровнями, в повторителе (хабе, репиторе) интерфейс MII может применяться для соединения нескольких устройств PHY.

Роль подуровня согласования (Reconciliation), несмотря на его выделение в отдельный функциональный блок, весьма прозаична. При переходе от шины AUI к MII интерфейс МАС-подуровня был сохранен. Соответственно, возникла потребность его согласования с новой шиной MII, что и было сделано с помощью этого подуровня.