Ж у р н а л   о   к о м п ь ю т е р н ы х   с е т я х   и   т е л е к о м м у н и к а ц и о н н ы х   т е х н о л о г и я х
СЕТИ И СИСТЕМЫ СВЯЗИ on-line
  ПОИСК: ПОДПИСКА НА НОВОСТИ: НОМЕР:
    ДОМОЙ • Архив: Новостей | Конференций | НомеровПодписка
 
   
 
   
    
РЕДАКЦИЯ
 
Все о журнале
Подписка
Как проехать
Где купить
Отдел рекламы
График выхода журнала
Адреса в Интернет

РУБРИКАТОР
   
• Инфраструктура
• Информационные
   системы

• Сети связи
• Защита данных
• Кабельные системы
• Бизнес
• Колонка редактора
• Электронная
   коммерция

• Только на сервере
• Системы
   учрежденческой
   связи

• Новые продукты


Rambler's Top100

  

От тактовой частоты до информационной магистрали

А. А. Воловодов

Телекоммуникационную инфраструктуру офисных зданий иногда сравнивают с сетью автодорог. Кабели — это магистрали, разъемы — их стыки, сетевые карты и устройства — терминалы, а протоколы передачи — правила дорожного движения.

Стандарты открытых, или структурированных, кабельных систем определяют параметры и способы построения среды, используемой для передачи сигналов — электропроводных и оптических кабелей. Другая группа стандартов, создаваемая Институтом инженеров электротехники и радиоэлектроники (IEEE) и общественными организациями типа ATM Forum и Gigabit Ethernet Alliance, задает формат сетевых протоколов.

Эталонная модель взаимодействия открытых систем OSI (Open Systems Interconnection), формализующая стандарты связи и передачи данных в любых сетях, разбивает все функции взаимодействия систем на семь уровней. Нижний, или физический, уровень устанавливает тактовую частоту, метод кодирования и обеспечивает преобразование данных из цифровой формы в электромагнитные сигналы, предназначенные для определенной среды передачи, и наоборот. Сигналы, поступающие с физического уровня на второй, канальный уровень, не зависят от типа среды передачи. Качество сигналов, отправляемых по физическим каналам, напротив, непосредственно обусловлено возможностями волокна или витой пары, типом интерфейса (двух-, трех-, четырехпарная передача), наличием внешних и внутренних помех.

Скорость следования импульсов, определяемая тактовой частотой, влияет на скорость передачи данных, но не равна ей. Если опять обратиться к автомобильной тематике и представить себе, что тактовая частота — это обороты двигателя автомобиля, то скорость передачи данных можно сопоставить со скоростью его движения. Преобразование одного вида “движения” в другой обеспечивается кодированием, или — по той же аналогии — коробкой передач.

Мегагерцы и мегабиты

Для передачи данных по электропроводным кабелям требуется выполнить следующие операции:

  • синхронизировать тактовые частоты передатчика и приемника,
  • преобразовать цифровые сигналы в аналоговые,
  • сузить спектр электрических сигналов с помощью фильтров,
  • обеспечить передачу отфильтрованных сигналов по линии связи,
  • усилить принятые сигналы и восстановить их первоначальную форму,
  • и, наконец, преобразовать аналоговые сигналы в цифровые.
Рассмотрим, как связаны между собой тактовая частота и последовательность битов. Тактовая частота, измеряемая в герцах, — это число изменений сигнала в единицу времени. Скорость же передачи данных равна числу передаваемых битов в секунду. Кажущаяся аналогия этих параметров породила множество ошибочных представлений. На самом деле численное равенство скорости передачи данных и тактовой частоты является лишь частным случаем — когда применяется простейшее кодирование сигнала. Для увеличения скорости передачи используются более сложные способы кодирования — электрический сигнал может иметь два, три, пять и более уровней и передаваться по нескольким линиям параллельно, например по всем четырем витым парам кабеля. Каждому протоколу соответствует определенная ширина спектра сигнала и требуется некая пропускная способность информационной магистрали. Однозначного соответствия между мегагерцами и мегабитами в секунду не существует. Скорость передачи данных может равняться тактовой частоте либо в два, четыре и более раз превосходить ее, что зависит от метода кодирования. Рассмотрим методы кодирования в порядке их усложнения.

RZ

Сущность этого трехуровневого кода заключена в его названии — кодирование с возвратом к нулю (Return to Zero) (рис. 1). Логическому нулю соответствует положительный импульс напряжения, логической единице — отрицательный. Информационный переход осуществляется в начале бита, возврат к нулевому уровню — в середине.

Основной характеристикой кода RZ является то, что в середине каждого бита всегда есть переход (положительный или отрицательный), обозначающий каждый бит. Нужный для обработки сигнала синхроимпульс (строб) выделяется приемником из самого сигнала. Коды со стробом называются самосинхронизирующимися.

Код RZ не отличается высокой плотностью передачи данных — при тактовой частоте 10 МГц она равна всего 10 Мбит/с. К тому же, чтобы различать три уровня сигнала, на входе приемника необходимо обеспечить лучшее отношение сигнал/шум, чем при использовании двух уровней.

Наиболее часто код RZ применяется в оптоволоконных линиях связи. Однако при передаче используются три уровня мощности световых импульсов, поскольку оптические сигналы не бывают положительными или отрицательными.

Манчестерский код

Манчестерский код, или Манчестер-II, получил наибольшее распространение в локальных сетях. Он, как и RZ, является самосинхронизирующимся кодом, но в отличие от него имеет не три, а два уровня, что обеспечивает лучшую помехозащищенность канала. Логическому нулю соответствует переход на верхний уровень в центре битового интервала, логической единице — переход на нижний уровень.

Логика кодирования хорошо видна на примере передачи последовательности единиц или нулей (рис. 2). При передаче чередующихся битов частота следования импульсов уменьшается в два раза. Изменения сигнала в середине бита остаются, а на границе битовых интервалов отсутствуют. Эта логическая функция выполняется с помощью последовательности запрещающих импульсов, которые синхронизируются с информационными импульсами и запрещают нежелательные граничные переходы.

Важная характеристика манчестерского кода — отсутствие у сигнала постоянной составляющей при передаче длинной последовательности единиц или нулей. Благодаря этому передатчики и приемники можно “развязать” гальванически с помощью импульсных трансформаторов.

Спектр сигнала при манчестерском кодировании содержит только две частотные составляющие. Для десятимегабитового протокола это 10 МГц при передаче последовательности одних нулей или единиц и 5 МГц при их чередовании. Поэтому все другие частоты можно удалить с помощью полосовых фильтров.

Код Манчестер-II нашел применение в оптоволоконных и электропроводных сетях. Самый распространенный протокол локальных сетей — Ethernet 10 Мбит/с использует именно его.

Код NRZ

Код NRZ (Non Return to Zero), т. е. без возврата к нулю, является простейшим двухуровневым кодом (рис. 3). Нулю здесь соответствует нижний уровень сигнала, единице — верхний. Информационные переходы совпадают с границей битов. Вариант кода — NRZI (Non Return to Zero Inverted) имеет обратную полярность.

Несомненное достоинство кода — его простота: сигнал не надо кодировать и декодировать. Кроме того, числовое значение скорости передачи данных вдвое превышает тактовую частоту. Максимальная же частота спектра соответствует чередованию нулей и единиц. Для других комбинаций частота будет меньше, а при передаче последовательности одинаковых битов сигнал вовсе отсутствует.

Код NRZ и его разновидность NRZI не обеспечивают синхронизации между передатчиком и приемником, и это является самым большим его недостатком.

Для синхронизации начала приема пакета используется стартовый служебный бит, например единица. Наиболее известное современное применение кода NRZI — стандарт ATM155. Многие годы популярным был протокол связи через последовательный порт компьютеров — RS232А, тоже использующий код NRZ.

Код MLT-3

Код трехуровневой передачи MLT-3 (Multi Level Transmission) имеет много общего с кодом NRZ (рис. 4). Единице соответствует переход с одного уровня сигнала на другой. При передаче нулей сигнал не меняется. Информационные переходы совпадают с границей битов.

Максимальной частоте сигнала соответствует передача последовательности единиц. Важнейшая характеристика кода MLT-3 — наличие трех уровней сигнала. Изменение уровня сигнала происходит последовательно, с учетом предыдущего перехода. При такой схеме один цикл сигнала вмещает в себя четыре бита.

Недостатком кода MLT-3, как и кода NRZ, является отсутствие синхронизации. Эта проблема решается с помощью преобразования данных, которое исключает длинные последовательности нулей и, следовательно, возможность рассинхронизации.

Кодирование данных

Протоколы, использующие код NRZ, чаще всего дополняют кодированием данных типа 4B5B. В отличие от кодирования сигналов, обеспечивающего переход от импульсов к битам и наоборот, кодирование данных преобразует одну последовательность битов в другую.

При кодировании данных 4B5B используется пятибитовая основа для передачи четырехбитовых информационных сигналов. Пятибитовая схема дает 32 (25) одноразрядных буквенно-цифровых символа, имеющих десятичные значения от 00 до 31. На передачу данных отводится 4 бита, или 16 (24) символов, — цифры от 0 до 9 и буквы от A до F.

В передатчике четырехбитовый информационный сигнал перекодируется в пятибитовый. Преобразованный сигнал имеет 16 значений для передачи информации и 16 избыточных значений. В приемнике из пятибитового сигнала выделяются информационные и служебные символы. Из последних девять символов используются, а семь исключены, это, в частности, комбинации битов, имеющие более трех нулей (01—00001, 02—00010, 03—00011, 08—01000, 16—10000). В случае их обнаружения на входе приемника выдается команда VIOLATION, означающая появление ошибки из-за высокого уровня помех или сбоя в работе передатчика. Единственная комбинация из пяти нулей (00—00000) отнесена к служебным символам; она обозначается буквой Q и имеет статус QUIET — отсутствие сигнала в линии.

Таким образом, кодирование данных решает две задачи — синхронизации и улучшения помехоустойчивости: первую — за счет исключения последовательности из трех нулей и более, а вторую — за счет возможности обнаружения ошибок в приемнике.

Кодирование данных типа 4B5B (один избыточный бит на четыре информационных) уменьшает эффективность использования полосы частот на 25%.

Сочетание кода MLT-3, имеющего фактор преобразования четыре, и 4В5В, ухудшающего его на четверть, приводит к тому, что на 1 Гц несущей частоты сигнала приходится 3 бита информации. Такая схема используется в протоколе TP-PMD.

Код PAM 5

Рассмотренные выше схемы кодирования сигналов были битовыми, т. е. каждому биту соответствовало одно значение сигнала, определяемое логикой протокола. При байтовом кодировании уровень сигнала задают два бита и более (рис. 5).

В пятиуровневом коде PAM 5 используются пять уровней амплитуды и двухбитовое кодирование. Каждой комбинации соответствует определенный уровень напряжения. При двухбитовом кодировании для передачи информации необходимо четыре уровня (22 — 00, 01, 10, 11). Пятый уровень добавляется с целью создания избыточности, используемой для исправления ошибок, что эквивалентно дополнительному резерву отношения сигнал/шум в 6 дБ.

Код PAM 5 выбран для протокола 1000Base-TX Gigabit Ethernet, обеспечивающего передачу данных со скоростью 1 Гбит/с. Как это достигается? Данные передаются по четырем парам кабеля одновременно — следовательно, каждая пара обеспечивает скорость передачи 250 Мбит/с. Для передачи без искажений двухбитовых символов кода PAM 5 требуется полоса частот 125 МГц.

Необходимая полоса частот

Ясно, что скорость движения автомобиля зависит не только от его технических возможностей, но и от качества автомагистрали. То же справедливо и в отношении передачи данных. Каковы же основные характеристики информационных магистралей?

Кодирование сигналов — это способ оптимизации передачи данных, призванный увеличить скорость без расширения частотного диапазона канала связи. Кодирование требует более сложной приемопередающей аппаратуры. Это, конечно, минус. Зато при переходе к более скоростным протоколам можно будет использовать те же кабели. А вот это уже большой плюс. Например, протокол Fast Ethernet 100Base-T4 обеспечивает работу сети со скоростью 100 Мбит/с на кабелях категории 3 (полоса частот — 16 МГц). Протокол Gigabit Ethernet 1000Base-TX реализован таким образом, чтобы на базе каналов категории 5 (полоса частот — 100 МГц) передавать данные со скоростью 1000 Мбит/с.

Несущая частота и ширина спектра

Сигнал, имеющий синусоидальную форму, называется гармоническим. Его параметры определяются частотой и амплитудой. Чем меньше сигнал похож на синусоиду, тем больше в нем гармонических составляющих, кратных несущей частоте (рис. 6). Совокупность гармонических составляющих сложного сигнала называется его спектром. Он состоит из основной составляющей — несущей частоты и гармонических составляющих, задающих форму импульсов.

Важнейшее отличие цифрового метода передачи от аналогового состоит в том, что для полного восстановления исходного сигнала требуется значительно меньше гармоник: вполне приемлемым уровень ошибок становится при передаче всего двух гармоник.

Сигнал, который не имеет спектральной линии нулевой частоты, является двухполосным (рис. 7). Спектр сигнала, подвергнутого манчестерскому кодированию, является двухполосным. Кодирование же методами NRZ, MLT-3 и PAM 5 дает однополосный сигнал.

Как было отмечено выше, код Манчестер-II дает две несущие частоты: 5 и 10 МГц. Частота 10 МГц передается с одной гармоникой (несущая и гармоники обозначены на рис. 7 красным цветом). Частота

5 МГц (обозначенная зеленым цветом) имеет три гармоники в верхнем диапазоне. Остальные обрезаются фильтрами.

Итак, при передаче однополосного сигнала, кодированного методом NRZ со скоростью 10 Мбит/с, требуется полоса частот 10 МГц. Для двухполосного сигнала, который создается манчестерским десятимегабитовым протоколом, необходима полоса, равная 20 МГц.

Для протокола ATM 155 (метод кодирования NRZ) тактовая частота равна 155,52 МГц. С учетом одной гармоники сигнала полоса частот должна составлять 155,52 МГц. Канал категории 5 максимальной длины имеет полосу частот 100 МГц при отношении сигнал/шум 3,1 дБ. При равенстве уровней сигнала и шума полоса частот этого же канала будет 115 МГц.

Таким образом, стандартный канал не обеспечивает необходимой полосы частот. На практике острота проблемы сглаживается. Дело в том, что стандарты определяют значения затухания и наводок для комбинации наихудших пар, в то время как для протокола АТМ 155 задействованы пары кабеля, расположенные на крайних контактах (1—2 и 7—8) коннектора. Они имеют лучшие значения параметра NEXT и нулевое значение ACR на частотах 140—160 МГц. Кроме того, энергия спектра сигнала АТМ 155 на частотах свыше 100 МГц не превышает 5%. Эта часть спектра важна для восстановления формы импульса и получения коэффициента ошибок не менее 10–10. Обобщив вышесказанное, отметим, что канал категории 5 в большинстве случаев обеспечивает работу протокола АТМ 155 с приемлемым коэффициентом ошибок. Для того чтобы полностью быть уверенным в соответствии канала требованиям определенного сетевого протокола, необходимо с помощью полевых приборов со специальным программным обеспечением провести измерения значений затухания и коэффициента ACR для тех комбинаций пар и в том диапазоне частот, которые нужны для работы конкретного протокола с заданным коэффициентом ошибок. Такое программное обеспечение разработано компанией ITT NS&S совместно с производителем полевых тестеров — фирмой Scope Communications, вошедшей в этом году в состав Hewlett-Packard. Стандартный кабельный тестер, оснащенный этой программой, измеряет электропроводный канал на соответствие 21 сетевому протоколу, оптоволоконный — 12. Эти измерения находятся за рамками требований категории 5. Однако заказчики получают инструментально подтвержденные гарантии работы сетевых протоколов. В перечень тестируемых включен протокол Gigabit Ethernet 1000Base-TX. До принятия стандарта измерения производятся на основе проекта дополнения PDAM3 к стандарту ISO/IEC 11801.

***

Переход к современным высокоскоростным протоколам требует тщательной подготовки информационных магистралей. Особое внимание в этом случае следует обратить на каналы максимальной длины: при их эксплуатации могут проявиться проблемы, связанные с не учтенной стандартами разницы в параметрах лучших и худших пар. Тестирование СКС на соответствие сетевым протоколам позволяет получить инструментально подтвержденные гарантии. На основе таких измерений и последующего анализа параметров, определяющих отношение сигнал/шум для однонаправленной и двунаправленной приемопередачи, можно оценить надежность работы системы, локализовать источник проблем и устранить их. В дополнение к этому квалифицированные специалисты могут точно установить степень пригодности существующей СКС категории 5 для работы гигабитовых протоколов и с минимальными затратами привести действующие магистрали в соответствие с требованием трассы для “Формулы-1”.

Об авторе
Воловодов Александр Алексеевич,
авторизованный инструктор компании ITT NS&S
Телефон/факс: (095) 315-3828





  
9 '1999
СОДЕРЖАНИЕ

колонка редактора

• Опыт проведения Интернет-рекламы

локальные сети

• От тактовой частоты до информационной магистрали

• Сдуйте пыль с ленточного накопителя

• Планируем перевод сети NetWare на протокол IP

бизнес

• Управление документами, знаниями и инновациями в бизнесе

интернет и интрасети

• Протоколы для платежей через Интернет

корпоративные сети

• Модернизация сети с помощью Gigabit Ethernet

услуги сетей связи

• Серверы RAS для крупных предприятий

• Концепции прежние — решения новые

• Транстихоокеанская сеть АТМ

• В игру вступает Россия

защита данных

• Единая регистрация в системах безопасности

новые продукты

• Кабельные системы ХЕ компании ITT-NS&S; DynaSite: для своих и иностранцев



 Copyright © 1997-2007 ООО "Сети и Системы Связи". Тел. (495) 234-53-21. Факс (495) 974-7110. вверх