методы кодирования информации в шине

Методы кодирования информации

Топологии локальных сетей. Среды передачи.

· Требуется более высокая скорость более(1Мбит/с)

· Выше требования к безошибочности (вероятность ошибки не более 10^-8)

· Желательно минимальное время ожидания установления связи

В ЛВС 2 типа абонентов:

ü Сервер – абонент сети, отдающий в сеть свой ресурс

ü Клиент(рабочая станция) – абон. Имеющий доступ к рес. сети

Топологии локальных сетей

Сейчас преимущественно используются 3 топологии: «звезда», «кольцо» и «шина».

В принципе были предложены также топологии «дерево» и «разомкнутое кольцо», но они не получили широкого распространения.

Сеть с топологией «звезда» может иметь 2 разновидности:

· «активная звезда» – в центре также имеется абонент;

· «пассивная звезда» – в центре просто соединение кабелей и нет никакой обработки информации.

Преимущество топологии «звезда» – конфигурация нечувствительна к выходу из строя кабеля (нарушается связь только с одним абонентом). Недостатками данной топологии являются:

· Высокие требования к надежности центрального узла (его выход из строя ведет к отказу всей сети);

· Ограниченное число абонентов (редко превышает 16), для увеличения их количества используется соединение нескольких «звезд».

К преимуществам топологии «кольцо» относятся:

· Топология допускает большое число абонентов (1024 и более)

· Топология нечувствительна к изменению числа абонентов;

· Наличие усиления сигналов в кольце позволяет сделать его достаточно большим (до десятков км.)

Недостатком этого типа сетей является то, что выход из строя любого адаптера или разрыв кабеля приводит к выходу ЛВС из строя.

Логически топология «шина» может работать и как «звезда» и как «кольцо». Преимущества «шины» – это большое допустимое число абонентов – до 1024, а также то, что она нечувствительна к выходу из строя компьютеров. Недостаток «шины» – чувствительность к повреждению кабеля.

Среды передачи информации

Практически всегда используется последовательная передача, хотя имелись попытки параллельной передачи. Например, кабель Cluster-bus ЛВС Cluster One содержал 11 проводников: 8 – для передачи данных, 2 – для протокола «рукопожатия» и 1 использовался для индикации активности шины.

Витая пара

Это, в основном, неэкранированные витые пары UTP (Unshielded Twisted-pair cable). UTP выпускаются пяти категорий (1 ÷ 5). В ЛВС допускается применение категорий 3. 5. Кабели категории 5 могут работать до частот в 100 Мгц. Волновое сопротивление UTP составляет 100 Ом. Для кабеля категории 5 установлено, к примеру, и минимальное число скручиваний на 1 фут длины – 8 скручиваний. Применяются (но значительно реже из-за стоимости) и экранированные витые пары STP.

Коаксиальный кабель

Это толстый и тонкий коаксиальный кабель с сопротивлением 50 Ом. Пропускная способность кабеля достигает 500 Мбит/с в режиме модуляции высокочастотного сигнала и 100 Мбит/с – в немодулированном режиме.

Согласование электрической линии связи

Чтобы сохранить форму сигналов в кабеле (исключить отражения) применяют концевые согласователи – терминаторы. Нужно также произвести заземление кабеля в одной точке для предотвращения образования выравнивающего тока.

Волоконно-оптический кабель

Используется, в основном, тонкое (10 мкм) оптоволокно с длиной световой волны 0,85 мкм или 1,2 мкм. Скорость передачи достигает 3 Гбит/с. Длина – десятки километров. Кроме скорости имеются и такие преимущества, как высокая помехозащищенность и секретность (отсутствие излучения). Недостатками же являются малая механическая прочность и высокая сложность монтажа.

Радиоканал

Преимущества данной среды:

· Большие расстояния до объекта (до сотен км.);

· Высокие скорости передачи (до десятков Мбит/с);

· Простота смены расположения объектов;

· Не требуется кабель.

К недостаткам же относятся:

· Высокая стоимость аппаратуры;

· Низкая помехозащищенность и секретность передачи.

Инфракрасный канал

Преимущества этой среды:

· Не требуется кабель;

· Отсутствие чувствительности к электромагнитным помехам

Данная среда, однако, обладает такими недостатками, как:

· Высокая стоимость передатчиков и приемников;

· Невысокие скорости передачи (до 5 Мбит/с);

· Не обеспечивается секретность передачи.

Этот способ удобен для связи компьютеров в одной комнате. Наиболее естественный тип топологии при этом – «шина».

Методы кодирования информации

Чаще всего в ЛВС применяют 4 кода: NRZ, RZ, Манчестер II и 4В/5В.

Код NRZ

Самый большой недостаток кода – это отсутствие синхросигнала позволяющего приемнику согласовать свою работу с передатчиком. При длине блока в 1 – 2 Кбайта не помогает и кварцевый генератор.

Код NRZ нашел применение только для передачи коротких пакетов (до 1 Кбайта). Для синхронизации обычно вводится служебный стартовый бит. Самое известное применение кода – это последовательный порт ПК RS-232C (передача ведется байтами со стартовым и стоповым битами).

Код RZ (Return to Zero) представляет собой трехуровневый код

В первой половине битового интервала передается значащий уровень, а затем во второй половине – сигнал принимает нулевой уровень. Таким образом, особенностью кода является наличие перехода сигнала в каждом битовом интервале, что позволяет выделить строб (синхросигнал). Такой код определяется как самосинхронизирующийся. Не происходит потери синхронизации даже при больших длинах пакетов.

К недостатку этого кода относится необходимость вдвое большей полосы пропускания линии, чем для кода NRZ. Для скорости 10 Мбит/с требуется полоса в 10 Мгц.

Код Манчестер II

Этот код получил очень широкое распространение в ЛВС. Является самосинхронизирующимся кодом, Логическому нулю соответствует переход от «0» к «1» в середине битового интервала, а логической единице – такой же переход от «1» к «0». Наличие перехода позволяет легко выделить синхросигнал. Код требует пропускной способности в линии 10 Мгц при скорости передачи 10 Мбит/с (аналогично коду RZ).

Положительные особенности данного кода:

· Отсутствие постоянной составляющей в сигнале. Это позволяет применять для гальванической развязки импульсные трансформаторы;

· Легко детектировать занятость линии – достаточно контролировать, есть ли изменение сигнала в течение битового интервала.

Код4В/5В

Используется в оптоволоконной сети FDDI. Каждые 4 последовательных бита информации заменяются на 5-битовую комбинацию, которая выбрана таким образом, чтобы в коде можно было обязательно выделить синхросигнал. Символы синхронизации, следовательно, можно выделить в 5 раз реже, чем в кодах RZ и Манчестер II, но зато требуемая в линии полоса пропускания только на 25% больше, чем для кода NRZ. Таким образом, для скорости 100 Мбит/с требуется полоса пропускания 62,5 Мгц.

Источник

Инфокоммуникационные системы и сети (ИКСС)

Конспект лекций по теме 1.2

Структура локальных сетей

Отличительные признаки локальной вычислительной сети [1] :

-высокая скорость передачи информации (не менее 10 Мбит/с);

высокоэффективный, быстродействующий механизм управления обменом;

-регламентированное количество компьютеров, подключаемых к сети.

При таких свойствах понятно, что глобальные сети отличаются от локальных тем, что они рассчитаны на неограниченное число абонентов. Кроме того, они чаще всего используют не слишком качественные каналы связи и относительно низкую скорость передачи данных, а механизм управления обменом в этих сетях не может быть гарантированно быстрым.

Вместе с тем компьютерные сети имеют и существенные недостатки:

-сеть требует дополнительных, иногда значительных материальных затрат на покупку оборудования, сетевого программного обеспечения, на создание сетевой инфраструктуры и обучение персонала;

-сеть требует приема на работу специалиста (администратора сети), который будет заниматься обеспечением работоспособности сети, ее модернизацией, управлением доступом к сетевым ресурсам, устранением неисправностей, защитой информации, резервным копированием и архивированием данных;

-проводная сеть ограничивает возможности перемещения компьютеров, подключенных к ней, так как в этом случае может понадобиться перекладка соединительных кабелей;

-сеть является средой для распространения компьютерных вирусов, поэтому вопросам защиты от них придется уделять больше внимания, чем в случае автономного использования компьютеров;

-сеть значительно повышает риск несанкционированного доступа к информации (информационная защита требует проведения комплекса, соответствующих организационных и технических мероприятий).

Основные определения и термины

Клиентом называется абонент сети, который только использует сетевые ресурсы, но сам свои ресурсы в сеть не отдает. Компьютер-клиент также называют рабочей станцией.

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

[2] Бабешко, В.Н. Распределенные информационно-вычислительные системы в туманных вычислительных сетях.

Источник

Кодирование для чайников, ч.1

Не являясь специалистом в обозначенной области я, тем не менее, прочитал много специализированной литературы для знакомства с предметом и прорываясь через тернии к звёздам набил, на начальных этапах, немало шишек. При всём изобилии информации мне не удалось найти простые статьи о кодировании как таковом, вне рамок специальной литературы (так сказать без формул и с картинками).

Статья, в первой части, является ликбезом по кодированию как таковому с примерами манипуляций с битовыми кодами, а во второй я бы хотел затронуть простейшие способы кодирования изображений.

0. Начало

Давайте рассмотрим некоторые более подробно.

1.1 Речь, мимика, жесты

1.2 Чередующиеся сигналы

В примитивном виде кодирование чередующимися сигналами используется человечеством очень давно. В предыдущем разделе мы сказали про дым и огонь. Если между наблюдателем и источником огня ставить и убирать препятствие, то наблюдателю будет казаться, что он видит чередующиеся сигналы «включено/выключено». Меняя частоту таких включений мы можем выработать последовательность кодов, которая будет однозначно трактоваться принимающей стороной.

1.3 Контекст

2. Кодирование текста

Текст в компьютере является частью 256 символов, для каждого отводится один байт и в качестве кода могут быть использованы значения от 0 до 255. Так как данные в ПК представлены в двоичной системе счисления, то один байт (в значении ноль) равен записи 00000000, а 255 как 11111111. Чтение такого представления числа происходит справа налево, то есть один будет записано как 00000001.

Итак, символов английского алфавита 26 для верхнего и 26 для нижнего регистра, 10 цифр. Так же есть знаки препинания и другие символы, но для экспериментов мы будем использовать только прописные буквы (верхний регистр) и пробел.

Тестовая фраза «ЕХАЛ ГРЕКА ЧЕРЕЗ РЕКУ ВИДИТ ГРЕКА В РЕЧКЕ РАК СУНУЛ ГРЕКА РУКУ В РЕКУ РАК ЗА РУКУ ГРЕКУ ЦАП».

2.1 Блочное кодирование

Информация в ПК уже представлена в виде блоков по 8 бит, но мы, зная контекст, попробуем представить её в виде блоков меньшего размера. Для этого нам нужно собрать информацию о представленных символах и, на будущее, сразу подсчитаем частоту использования каждого символа:

Источник

Лабораторная работа № 6. Изучение методов кодирования информации в LAN на физическом уровне OSI

Лабораторная работа № 6. Изучение методов кодирования информации в LAN на физическом уровне OSI.

Цель работы: Изучить способы физического и логического цифрового кодирования на физическом уровне при передаче данных в сетях.

2 Основные сведения

При цифровом кодировании дискретной информации применяют потенциальные и импульсные коды.

Потенциальные коды для представления логических единиц и нулей используют только значение потенциала сигнала.

2.1 Требования к методам цифрового кодирования

Для передачи дискретной информации с использованием прямоугольных импульсов необходимо выбрать такой способ кодирования, который одновременно достигал бы следующих целей:

· имел при одной и той же битовой скорости наименьшую ширину спектра результирующего сигнала;

· обеспечивал синхронизацию между передатчиком и приемником;

· обладал способностью распознавать ошибки;

· обладал низкой стоимостью реализации.

3 Физическое кодирование. Потенциальные коды.

3.1 Потенциальный код без возвращения к нулю (Non Return to Zero, NRZ)

Потенциальный код NRZ в отличии от многих других кодов не использует «возврат к нулю» в течение такта. Метод NRZ прост в реализации, обладает хорошей распознаваемостью ошибок (из-за двух резко отличающихся потенциалов), но не обладает свойством самосинхронизации. При передаче длинной последовательности единиц или нулей сигнал на линии не изменяется в течение такта, поэтому приемник не может по входному сигналу определить моменты времени для считывания данных (засинхронизироваться).

Рис.6.1. Кодирование по методу NRZ

При чередовании единиц и нулей и скорости передачи N (Бит/с) период основной гармоники в спектре сигнала равен T=2*t0=2/N сек. Частота основной гармоники f0 равна f0=N/2 (Гц). (в данном случае максимальная).

При передаче только единиц, или только нулей сигнал в линии представляет собой постоянный ток.

· Метод обладает хорошей распознаваемостью ошибок (благодаря наличию двух резко отличающихся потенциалов).

· Основная гармоника fo имеет достаточно низкую частоту (равную N/2 Гц, что приводит к узкому спектру).

Недостатки метода NRZ.

· Метод не обладает свойством самосинхронизации.

· Наличие низкочастотной составляющей, которая приближается к постоянному сигналу при передаче длинных последовательностей единиц или нулей.

3.2 Потенциальный код с инверсией при единице NRZI (Non Return to Zero with ones Inverted, NRZI)

Код NRZI использует только два уровня сигнала и поэтому обладает хорошей помехоустойчивостью. Максимальную энергию имеют спектральные составляющие сигнала около частоты N/4 (Гц).

Рис 6.3Потенциальный код NRZI с инверсией при единице.

При рассмотрении частных случаев:

A) Для последовательности чередующихся единиц и нулей период сигнала равен T=4*t0 (с), основная частота сигнала f0=N/4 (Гц).

B) При последовательности единиц – f0=N/2 (Гц);

D) При передаче последовательности 0 1 1 0 0;

Рис 6.4 Потенциальный код NRZI с инверсией при единице частные случаи.

3.3 Метод биполярного кодирования с альтернативной инверсией (АМI).

Рис. 6.5. Квазитроичное кодирование (AMI)

Код AMI частично ликвидирует проблемы постоянной составляющей и отсутствия самосинхронизации, присущие коду NRZ. Это происходит при передаче длинных последовательностей единиц.

Спектр сигнала AMI более узок, чем у кода NRZ, а значит, обладает более высокой пропускной способности линии.

A) При передаче чередующихся единиц и нулей основная гармоника f0 имеет частоту N/4 Гц.

B) При передачи длинной последовательности единиц, получаем разнополярный сигнал с частотой основной гармоники f0 = N/2. Гц.

C) При передачи длинной последовательности нулей, сигнал равен нулю в течении всей последовательности нулей.

D) При передаче последовательности 0 1 1 0 0;

3.4 Потенциальный код 2B1Q.

Код 2B1Q, название которого отражает его суть — каждые два бита (2В) передаются за один такт (1) сигналом, имеющим четыре состояния (Q — Quadra).

Это потенциальный код с четырьмя уровнями сигнала для кодирования данных. Каждые два бита (2В) передаются за один такт сигналом, имеющим четыре состояния (1Q):

— Паре бит 11 соответствует потенциал +0,833 В.

— Паре бит 10 соответствует потенциал +2,5 В.

Таким образом при данном методе кодирования кодируется не каждый бит информационного исходного сигнала, а два бита.

С помощью кода 2B1Q можно по одной и той же линии передавать данные в два раза быстрее, чем с помощью кода AMI или NRZI.

Рис 6.7.Потенциальный Код 2B1Q.

При этом способе кодирования требуются дополнительные меры по борьбе с длинными последовательностями одинаковых пар битов, так как при этом сигнал превращается в постоянную составляющую. При случайном чередовании битов спектр сигнала в два раза уже, чем у кода NRZ, так как при той же битовой скорости длительность такта увеличивается в два раза.

Используются три уровня линейного сигнала: «-1», «0», «+1». Логической единице соответствует обязательный переход с одного уровня сигнала на другой. При передаче логического нуля изменение уровня линейного сигнала не происходит. Код MLT3, на первый взгляд, идентичен коду AMI. Разница состоит в том, что при кодировании «1» в AMI используются два уровня «-1» и «+1», в MLT3 три уровня кодировании «-1», «0», «+1», при кодировании «0» в AMI используются «0»- уровень, а при MLT3 также любой из трех «-1», «0», «+1», а именно при «0» в следующем такте уровень не меняется.

При передаче последовательности единиц период изменения уровня сигнала включает четыре бита. В этом случае f0=N/4 (Гц). Это максимальная основная частота сигнала в коде MLT-3. В случае чередующейся последовательности нулей и единиц основная гармоника сигнала находится на частоте f0=N/8 (Гц).

A) Передача логического нуля. В линию поступает «ноль».

B) Передача длинной последовательности единиц. В этом случае (Гц).

C) Передача чередующихся единиц и нулей. Основная гармоника сигнала находится на частоте (Гц)

4 Физическое кодирование. Импульсные коды

4.1 Биполярный импульсный код

Рис 6.8.
Биполярный Импульсный Код

4.2 Манчестерский код

В локальных сетях до недавнего времени самым распространенным методом кодирования был манчестерский код. Он применяется в технологиях Ethernet и Token Ring. В манчестерском коде для кодирования единиц и нулей используется перепад потенциала, то есть фронт импульса.

При манчестерском кодировании каждый такт делится на две части. Информация кодируется перепадами потенциала, происходящими в середине каждого такта.

В начале каждого такта может происходить служебный перепад сигнала, если нужно представить несколько нулей или единиц подояд.

Рис 6.9 Манчестерский код.

5 Избыточные коды

Избыточные коды основаны на разбиении исходной последовательности бит на части, которые часто называют символами. Затем каждый исходный символ заменяется на новый, который имеет большее количество бит, чем исходный.

Таблица 6.1 Соответствие исходных и результирующих кодов 4В/5В

Код 4В/5В затем передается по линии с помощью физического кодирования по одному из методов потенциального кодирования (потенциальных кодов типа AMI, NRZI или 2Q1B), чувствительному только к длинным последовательностям нулей.

Вторым методом борьбы с чередующимися нулями можно назвать скремблирование.

5.1 Скремблирование.

Скремблирование заключается в побитном вычислении результирующего кода на основании битов исходного кода и полученных в предыдущих тактах битов результирующего кода. Например, скремблер может реализовывать следующее соотношение:

— Bi— двоичная цифра результирующего кода, полученная на i-м такте работы скремблера,

— Аi— двоичная цифра исходного кода, поступающая на i-м такте на вход скремблера,

— Bi-3 и Bi-5 двоичные цифры результирующего кода, полученные на предыдущих тактах работы скремблера (соответственно на 3 и на 5 тактов ранее текущего такта) и объединенные операцией исключающего ИЛИ (сложение по модулю 2).

После получения результирующей последовательности приемник передает ее дескремблеру, который восстанавливает исходную последовательность на основании обратного соотношения:

Ci = (Ai Å Bi-3 Å Bi-5) Å Bi-3 Å Bi-5 = Ai Å Bi-3 Å Bi-5 Å Bi-3 Å Bi-5 = Ai

Пример скремблирования кода 1010 0000 0000 1101 и кодирования по коду AMI.

В11=А11+В8+В6=0+1+0=1 В12=А12+В9+В7=0+1+1=0 В13=А13+В10+В8=1+1+1=1 В14=А14+В11+В9=1+1+1=1 В15=А15+В12+В10=0+0+1=1 В16=А16+В13+В11=1+1+1=1

Различные алгоритмы скремблирования 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 на 5 и 23 позиции, а при передаче данных от абонента, в сеть со сдвигами на 18 и 23 позиции.

Рис 6.10. Пример скремблирования кода 1010 0000 0000 1101 и кодирования по коду AMI.

Существуют и другие методы борьбы: с последовательностями единиц, также относимые к классу скремблирования.

Для улучшения биполярного кода АMI используются ещё два метода, основанные на искусственном искажении последовательности нулей запрещенными символами, которые можно отнести к классу скремблирования.

5.2 Скремблирование кодами B8ZS и HDB3.

Логическое кодирование B8ZS (Bipolar with 8-Zeros Substitution) и HDB3 (High-Density Bipolar 3-Zeros) используются для улучшения кода Bipolar AMI. Они основаны на искусственном искажении последовательности нулей запрещенными символами.

При физическом кодировании кодом Bipolar AMI сигнал в линии для нуля всегда нулевой, а для единицы должен иметь противоположную полярность по сравнению с предшествующей единицей. Запрещенный сигнал V принимает туже полярность, что была у предшествующей единицы.

6 Порядок выполнения работы

Закодировать 32-х битную последовательность следующими кодами:

Источник