Електрически характеристики

3.2.Електрически характеристики.

Обектите на физическото ниво си взаимодействат чрез обмен на стандартизирани последователности от сигнали във физическата среда. Природата на параметрите на физическата среда – носители на информацията зависи от конкретната физическа среда, но при достигане до РОС (компютърната система) сигналите задължително се преобразуват до електрически. Ако в преносната среда за информационни пренос се използват неелектричеки параметри или характеристики на средата то каналната апаратура е мястото за преобразуване на тези параметри и характеристики до електрически сигнали, представящи логическите нива “0” и “1”.

Електрическите характеристики определят типа и организацията на сигналните вериги от физическия слой, времевите характеристики, формата на сигналите и механизмите (алгоритмите, кодовете) за представяне на последователността от битове.

Организацията на сигналните вериги може да се разглежда в два аспекта. От една страна да се анализира от електрическата природа на процеса, а от друга се разгледа функционалната същност на сигналната верига като носителка на информация.

Възловият въпрос, който се поставя при анализа на електрическите характеристики на физическо ниво е как логическите състояния “0” и “1” се представят промяна на характеристиките на параметри във физическа среда. Практиката на интерфейсите на физическо ниво е наложила няколко базови метода за кодиране на абстрактните логически състояния във физическата среда.

В теорията на информацията се въвежда понятието “бод” (baud), с това понятие се отбелязва всяко регистрируемо, значимо за крайната апаратура изменение на характеристика, свързана с избрания за носител на информационен пренос параметър на физическата среда. В определена физическа среда не е възможен информационен пренос ако за параметъра носител не са дефинирани краен брой състояния, които могат да се разпознаят достоверно от крайното комуникационно оборудване. Преминаването от едно към друго такова състояние, “поражда” един “бод”. Механизмът, по който битовия поток еднозначно детерминира подредена последователност от “бодове”, се нарича алгоритъм или метод за кодиране двоичната информация на физическо ниво – код на физическо ниво.

Един от основните параметри на кодирането като функция на физическото ниво е шумоустойчивостта, т.е. осигуряването на възможност за достоверно декодиране в приемната страна на генерираната от предавателя кодова последователност, съответстваща на приложния битов поток.

Шумоустойчивостта на един код е право пропорционална на отношението между битова и бодова скорост. Колкото това отношение е по-голямо, толкова по-висока е шумоустойчивостта на един код. Колкото по-дълга е уникалната последователност от преходи (бодове) между устойчивите нива за представяне на логическата “0” и логическата “1”, толкова по-достоверно в приемната страна може да се различи полезната кодова последователност, носителка на достоверна информация от повредения, в резултат на смущаващи въздействия кодов “образ” на абстрактните логически нива. Дългите бодови последователности са средство за борба с инверсното възприемане на логическите нива – кодовата последователност, съответстваща на логическа “0” да се възприеме в приемната страна, като кодова последователност, съответстваща на логическа “1”. Недостатък на този подход за повишаване на шумоустойчивостта е факта, че с увеличаване на отношението битова/бодова скорост нарастват изискванията “широчината” на ефективно предаваната честотна лента в преносната среда към преносната среда. Необходимата честотна лента е функция на бодовата скорост. За използваните в практиката методи за кодиране при определяне на отношението битова/бодова скорост се оценяват необходимостта от постигане на определена степен на шумоустойчивост във връзка със скоростните ограничения. При постоянна величина на ефективно пропусканата честотна лента (параметър на преносната среда) всяко увеличение на бодовата скорост (увеличаването на броя бодове за предаването на един бит информация) води до намаляване на битовата скорост, т.е на приложната пропускателна способност на физическото съединение. На фиг.3.3 са представени чрез времедиаграми, най-често използваните методи на кодиране на физическо ниво.

“0” “0” “0”

*

*

Фиг. 3.3.

Лог. “1” се представя в напреженовата област от 0V до 0,5V.

Лог. “0” се представя в областта от 4,5V до 5 V.

Декодирането на NRZ-импулсната последователност в приемната страна предполага синхронизация във времето на процесите на “снемане” на състоянието на веригата за данни и определяне на стойността на напрежението и съответствието с логическата “0” или “1”. Шумоустойчивостта на NRZ-кода е относително ниска, тъй като се влияе от:

• 
  Грешки от синхронизация на момента на определяне на валидното състояние на линията за данни в приемната страна;
  
• 
  Грешки от временно изменение на потенциалите на веригите за данни, под влияние на външно смущаващо въздействие.

  В практиката на комуникационните системи се прилагат методи за повишаване на шумоустойчивостта на NRZ-методите за кодиране:

  
  
• 
  Въвеждане на допълнителна линия за синхронизация между предавателния и приемния физически обект – това усложнява конфигурацията на интерфейса на физическо ниво и такъв тип мерки не са приложими при обмен на информация на относително голямо разстояние, тъй като изискват кабелен капацитет, който не винаги може да се осигури;
  
• 
  Реализиране на многократна проверка на състоянието на линията за данни за времето на предаване на един бит информация – еднократната проверка в предполагаемия момент T/2 (T-периода на следване на битовата последователност) може да доведе до инверсно декодиране в резултат на случайна промяна на състоянието на линията под влияние на външни смущаващи фактори. Въвеждането на многократна проверка, предполага декодиране по статистическа оценка на “снетите” стойности и определяне на вероятното състояние. Този подход значително повишава шумоустойчивостта NRZ-кодирането, без да налага съществено усложняване на алгоритъма за декодиране.
  
  На времедиаграма (в) е представен един от най-често използваните кодове при реализация на физически съединения в локални мрежови конфигурации, отличаваш се с висока шумоустойчивост, вграден в логиката на кодиране механизъм за синхронизация и несложна апаратна реализация – манчестърски код. За този код е характерно, че отношението бодова/битова скорост е 2. При манчестърския код бодовия генератор е с два пъти по висока честота от битовия генератор. При Манчестър “+” код логическата ”1” се представя с нарастващ фронт в импулсната поредица, а логическата “0” с падащ фронт. При Манчестър “-“ код е обратно.
  

“1” – падащ фронт

“0” – нарастващ фронт

Фиг. 3.4.

Манчестърското кодиране се използва масово в съвременните реализации на физическите среди за Локални мрежи. Този код не е удобен за физически съединения на дълги (над 1000м) разстояния, поради специфичните параметри на “дългите” линии и влиянието им върху формата и разпространението на сигналите. За повишаване на шумоустойчивостта за разработени и диференциални схеми за манчестърско кодиране, като импулсните поредици се генерират с ос на симетрия - абцисната ос. Този метод е известен още и като биполярно манчестърско кодиране.

На времедиаграма (г) е представен един от най-често използваните кодове при реализация на физически съединения на големи разстояния и с относително висока шумоустойчивост – биполярно импулсно кодиране (Alternate Mark Inversion - AMI). За този код е характерно, че отношението бодова/битова скорост е 3. За представяне на логическата “0” и “1” са дефинирани две форми на импулси като подредена последователност от преходи (фронтове) със смяна на полярността на импулсната поредица. На фиг.3.5 е представена формата на импулсите, представящите логическата “0” и “1”.

“1” “0”

Фиг. 3.5.

Биполярният характер на кода и подредената последователност фронтове осигурява шумоустойчивостта на кода при предаване на дълги разстояния. От разгледаните три код на физическо ниво AMI-кодирането е с най-висока алгоритмична сложност и неговото използване е приложимо само за случаите, когато манчестърското кодиране не дава удоволетворителни резултати.