IIOIIIO

Рис. 9.6. Способы цифрового кодирования; а - прямое двоичное без возвращения к нулю (NRZ); б - прямое двоичное с возвращением к нулю (RZ); в - трехуровневое с возвращением к нулю; г-д - манчестерское (г) и дифференциальное манчестерское (Э) кодирование.

Знание опорного уровня (нуля) необходимо только при трехуровневом кодировании; в остальных случаях для распознавания соответствующих данных абсолютный уровень сигнала не играет роли

- -Н5В

входной сигнал

выходной сигнал

4-2 В ОВ

"1"

- логическая логический

eiJie

Рис. 9.7. Пороговые значения для триггера Шмитта

Однако при непосредственном применении NRZ-кодирования возникает одна существенная проблема. Приемник не может различить, где начинается и чается каждый отдельный бит. Кроме того, если передатчик использует Р"" LjaH рости, приемник не может сразу в начале передачи определить его скорость. . --------. „„тпр мк7.-колиоование не позволяет отличить отсутствие сообше

емника. Однако при этом остается риск потери синхронизации в процессе пере-

" данных и, соответственно, неправильной их интерпретации. Наконец, если все .дьсы имеют одинаковую полярность, распределенная емкость линии ведет к на-

дачй

оплению постоянного электрического потенциала.

gee указанные проблемы решаются при кодировании с возвращением к нулю to Zero - RZ) (рис. 9.6 6). В этом случае исходные данные комбинируются с синхронизации. Как и при прямом кодировании, здесь также определены

(Return

сигналом (

два уровня потенциала, один из которых соответствует логическому нулю, а вто-н - логической единице. Каждый бит начинается с определенного для его значе-нйя уровня потенциала, а в середине каждого импульса осуществляется переход на нулевой уровень; фронт перехода используется для синхронизации приемника. При другом типе RZ-кодирования применяются сигналы разной полярности (рис. 9.6 в). RZ-кодирование требует в два раза более широкой полосы, чем NRZ-кодирование, а соответствующая электроника интерфейсных устройств гораздо сложнее, однако достоинства метода отодвигают эти недостатки на задний план.

Другой широко применяемый способ - это манчестерское или двухфазное кодирование (Bi-phase Level - BiO-L). При манчестерском кодировании каждый бит кодируется двумя уровнями напряжения с переходом в середине каждого импульса (бита). При прямом манчестерском кодировании бит "О" представляется переходом от уровня низкого напряжения к высокому, а бит "1" - переходом от высокого уровня к низкому (рис. 9.6 г). Похожая схема используется при дифференциальном манчестерском кодировании, при котором бит "О" представляется переходом уровня вначале каждого нового периода, а бит "1" - отсутствием такого перехода (рис. 9.6 д). При дифференциальном манчестерском кодировании код бита зависит от уровня напряжения второй половины предшествующего бита.

Манчестерское и дифференциальное манчестерское кодирования являются са-осинхронизирующимися кодами (т. е. позволяют приемнику настроиться на пере-зтчик без специальных синхросигналов) и имеют более высокую защиту от шума по Фавнению с RZ-кодированием. Как и для кодирования с возвращением к нулю ман-етерские схемы требуют в два раза более широкой полосы пропускания, чем -"Кодирование. Преимущество манчестерского кодирования в том, что оно ис-ьзует два уровня напряжения вместо трех и соответствующая аппаратура проще, при RZ-кодировании. Манчестерское кодирование широко применяется в ло-

ьны

X сетях, например в Ethernet.

не для управления производственными процессами

Существуют и другие схемы кодирования, но они применяются в основном для ьней и спутниковой связи, а не "Здесь рассматриваться не будут.

4. Модуляция несущей

Модуляция несущей (canier modulation) используется для согласования инфор-

ой сигнала с линией, по которой он передается. Модуляция представляет Чц нение некоторых параметров (амплитуды, частоты, фазы) высокочастот-\ У"1ей как функции исходного информационного сигнала; в качестве несущей Уется высокочастотный синусоида/шный или импульсный сигнал. При- исходный сигнал из модулированного. Различные типы модуляции "яются типом несущей и процедурой модуляции. Частота несущей может

изменяться в широком диапазоне - стандартные модемы для передачи обычным телефонным линиям (раздел 9.8.1) работают, например, при частотах"" пазоне 800-2500 Гц, а для передачи по широкополосному кабелю несущая частотд"" жет достигать 500 МГц.

Амплитудная модуляция (AM, Amplitude Modulation

............----------------- . - AM) редко использует,

при передаче цифровых данных. Более распространены частотная (ЧМ, Frequ Modulation - FM) и фазовая модуляция (ФМ, Phase Modulation - РМ). Припр**

........г.. т» т..т»тттт, л,тп7ТТггттТ.ПЛ , Г, PitR РТГ ТТ Т ТЛ U ТТ Я ТЧ Я Л* РТТ"! НРГ\7ТТТ£."т т,..

:яетс8 на-

нении каждого из видов модуляции соответствующий параметр несущей измен как функция входного сигнала. При амплитудной модуляции каждый уровенГ пряжения исходного сигнала соответствует определенной амплитуде несущей частотной модуляции - частоте в определенном диапазоне, а при фазовой ~ опре"1," ленному фазовому сдвигу несущего сигнала.

Когда несущая модулируется цифровым сигналом, модуляции называются а.мп-литудной манипуляцией (АМн, Amplitude Shift Keying - ASK), частотной манипутя-цией (ЧМн, Frequency Shift Keying - FSK) и фазовой манипуляцией (ФМн, Phm Shift Keying - PSK) соответственно. Из этих трех методов фазовая маннпу.иция наиболее устойчива к помехам, т. е. для одного и того же отношения сигнал/шумна фазно-манипулированный сигнал помехи оказывают меньшее влияние, чем наамп-литудно- или частотно-манипулированный сигнал.

Модуляция несущей не должна точно следовать цифровому входному сигнату. Изменение некоторого параметра несущей частоты можно связать с последовательностью из нескольких бит, а не только с одним битом. Это позволяет передавать больше информации на той же несущей частоте. Например, при фазовой модудяции можно использовать непосредственное соответствие: "О" фазовый сдвиг - 0° и "1" - 180 В другом варианте битовые последовательности 00, 01, 10, И могут кодироваться фазовыми сдвигами в 0°, 90°, 180° и 270° соответственно. При этом тот же сигнал несет двойной объем данных. Более сложной является квадратурно-амплитудная мо-ауляция (Quadrature Amplitude Modulation, QAM), при которой амплитудная ифазо вая модуляции сочетаются для передачи нескольких бит в соответствии с каждым изменением огибающей несущего сигнала.

Число изменений в секунду одного из параметров несущей называется сигна ной скоростью или скоростью передачи в бодах (Baud rate). Понятия скорости дачи в битах и в бодах часто путают. Они совпадают лишь в случае, когда "jji модулируемого параметра соответствует одному биту, т. е. когда несушаЯ иметь лишь два состояния, каждое из которых соответствует "О" или - QAM-модуляции, например, комбинированные изменения амплитуды и фазы соответствовать четырем битам, и битовая скорость в четыре раза выше, чем ск в бодах. Скорость в бодах неудобна как практическая мера скорости пеРДрс ьку она требует дополнительно указать метод кодирования; реальный

скол

представляет скорость в битах. „,x„fSnTHoro к"

Произвольно увеличить пропускную способность с помощью 1У-ьти01 д..

jje улучшит пропускную способность канала, так как при этом наряду с исход-.... дддыми потребуется передача информации, необходимой для исправления оши-нЫ ополнительная обработка сигнала как передатчиком, так и приемником. По мере бо* "jg(.oro прогресса и появления более сложных и дешевых средств обработки рас-Tf" ся сфера применения комбинированной техники модуляции, позволяющей луч-""спочьзовать доступные физические каналы. Однако теоретическая максимальная " ть передачи канала не зависит от технологии и определяется лишь шириной поло-пропускания канала и отношением сигнал/шум [уравнение (9.3)].

9 3.5. Синхронизация

Для правильной обработки сообщений необходимо, чтобы передатчик и приемник использовали один и тот же источник времени, т. е. чтобы они были синхронизированы Синхронизирующая посылка представляет собой импульсный сигнал определенной частоты, генерируемый либо передатчиком, либо приемником или каким-либо внешним устройством. Синхронизирующий сигнал передается либо по специальному проводу, либо вместе с передаваемой цифровой информацией, как, например, при RZ или манчестерском кодировании, в которых изменение в середине каждого импульса представляет собой синхронизирующий сигнал. В первом случае требуется дополнительный провод, во втором - дополнительная полоса пропускания.

Передача данных может осуществляться и без определенного источника времени; такая передача называется асинхронной. При асинхронной передаче приемник должен "знать" заранее все параметры связи - в первую очередь, скорость - для того, чтобы правильно идентифицировать поступающие сигналы. Более того, приемник должен различать границы между отдельными битами и соответственно настраивать «ои отсчет времени. Если у передатчика и приемника некоторые параметры связи имеют различную настройку, то приемник либо не сможет синхронизироваться "оступающим потоком данных, либо быстро потеряет синхронизацию (рис. 9.8).

"едача

Передача

С-9.8.

синхронизирующие импульсы

Синхр

онная и асинхронная передача данных

3.6

Стандарты интерфейса EIA-232-D и RS

. -----• -1 ГШ НО

рова1™ГаГрат7рно-Гпл нельзя. Исходя из Р*, ""SHZTMtntnt"" является, по-видимому, наиболее известным и

.------------......„..т.WBe; :;:бе

"*ен Нагтпа blA-232-D и других коммуникационных интерфейсов

"ями проблема - следить за всеми документами, издаваемыми орга-

"О стандартизации, зя п

рования и квадратурно-амплитудной мицулпипп п....... ......,/,;„рличИВ,.

при использовании четырех значений фазового сдвига число сгшволов V ув с 2 до 4. Для обработки соответствующих сигналов требуется более сложи ,

ние, а передаваемые сигналы становятся более чувствительны к шуму. Для , нии при известной полосе пропускания, постоянном уровне шума и заданн частоте существует оптимальная скорость передачи данных. Попытка прев

Стандарт EIA-232-D ранее назывался RS-232 (RS от Recommended Standard мендуемый стандарт). Он был введен в 1969 году. Ассоциацией электронной п ~~ ленности (Electronics Industries Alliance, EI А) для описания требований к инт"" между ЭВМ или терминалами и модемами. Его последняя редакция, при которое ние было изменено с RS на EIA, датируется декабрем 1987 году. Исходная г-

ндарт*"-

МККТТ и ISO для разработки их собственного набора спецификаций с небольщГ"

ция RS-232 была использована международными организациями по стандарх(5

менениями по отношению к оригиналу RS-232. Сейчас круг замкнулся, поскольку"/ дарт E1A-232-D, в свою очередь, ссылается на стандарты МККТТ и ISO.

Стандарт EIA-232-D был первоначально определен как интерфейс между обо дованием обработки данных (ООД, Data Terminal Equipment - DTE) и аппаратурой окончания канала данных (АКД, Data Communication Equipment - DCE), т. е. kommv никационным оборудованием, присоединенным к физической линии. Однако сейчас этот стандарт распространяется и на многие другие приложения, например соединение с терминалами, принтерами и другим внешним оборудованием.

В соответствии со стандартом физический разъем имеет 25 контактов и нормируется как ISO-2110. Спецификация EIA-232-D определяет цепи для передачи по двум каналам и для тестирования АКД. Однако на практике используется только один канал. Электрический интерфейс EIA-232-D следует рекомендациям ITU V.28. Уровни сигналов между +3 В и +15 В используются для логического "О", а между -3 В и -15 В -для логической "1" (обратное кодирование). Входные электронные устройства должны выдерживать скачки напряжения до ±25 В. Максимальная скорость передачи данных равна 19200 бит/с при длине кабеля до 15 м; при более низкой скорости передачи длина кабеля может быть больше. Распределение сигналов на контактах разъемов и протоколы передачи EIA-232-D соответствуют рекомендациям ITU V.24. Некоторые контакты используются для индикации готовности к передаче или приему данных.

Сигналы в стандарте EIA-232-D определены исходя из интерфейса с модемом, подключенным к линии связи, и поэтому некоторые из них не используются в других приложениях. Для непосредственного соединения между собой двух ООД без использования внешнего канала связи и, соответственно, АКД применяется так называемый "нуль-модемный" кабель. Существуют различные типы такого кабеля. В одном случае контакты, по которым происходит обмен управляющими сигналами между ООД, за мыкаются друг на друга. В другом - на эти контакты подается постоянное напряж ние, и таким образом, они всегда находятся в возбужденном состоянии, т. е., наприм передатчик будет считать, что приемник всегда готов получать данные.

Стандарт E1A-232-D не регламентирует вид передачи, которая может быть как ас хронной, так и синхронной (определены две цепи для приема и передачи синхрониз ющих сигналов). Цифровые данные могут использовать любой вид кодирования.

Основным недостатком EIA-232-D является ограничение на максимальную скор на уровне менее 20 Кбит/с. Для преодоления этого ограничения был разработан стандарт Е1А-449 (ранее RS-449), который расширяет функции Е1А-232. СпеЦИФ , ция Е1А-449 устанавливает более сложную схему сигнализации, чем EIA-232-D, п ляющую использовать новые услуги сетей передачи данных общего пользов В стандарте Е1А-449 определены два разъема - один 37-контактный разъем для о ных цепей и дополнительный 9-контактный разъем для вторичного канала.

Описание EIA-449 не регламентирует непосредственно уровни электрйле ,, сигналов. Это определяется другими документами - EIA-422 для сбалансирова

д23 д-пя несбалансированной передачи. Эти стандарты распространяются

да спецификацию электрической части и не затрагивают остальные функцио-вает два дополнительных контакта для обратных цепей сбалансированной

р тпебования к полному интерфейсу связи. Основной разъем EIА-449 предус-

g ачи. В EIA-422 определена скорость передачи данных до 2 Мбит/с, а при исполь-"Р яй несбалансированных цепей и общей обратной линии обеспечивается макси-"ьная скорость 20 Кбит/с. Максимальная скорость передачи данных в EIA-423 *сйМ.адетричное соединение) составляет 20 Кбит/с, что совпадает с EIA-232. Предусмотрена совместимость EIA-449 с EIA-232-D, достигаемая с помощью относительно ..Qi-o оборудования. Пока лишь немногие устройства используют интерфейс Гндарта EIA-449.

9,3.7. Многоточечный электрический интерфейс RS-485

Стандарты, описанные выше, ориентированы на передачу данных только между дву.мя устройствами. Однако во многих приложениях требуется соединение нескольких устройств с помощью общей линии. Соответствующий электрический интерфейс описан в стандарте RS-485. Этот стандарт относится только к электрическим параметрам интерфейса и не оговаривает качество сигнала, синхронизацию, протоколы, назначение контактов разъемов и другие подобные вопросы. Допустимая скорость передачи для двоичных данных достигает 10 Мбит/с. Функционально стандарт RS-485 во многом похож на электрические решения, применяемые в системных шинах.

В соответствии со стандартом RS-485 несколько устройств соединяются сбалансированной витой парой. Устройства могут быть приемными, передающими или комбинированными. На обоих концах кабеля должны устанавливаться терминаторы (оконечные резисторы) с сопротивлением не менее 60 Ом (рис. 9.9).

сбалансированный кабель

нагрузки

-нагрузки

приемник/ передатчик

передатчик приемник

"с. 9.9. Структура интерфейса RS-485

opbW интерфейса аналогична тристабильной логике шины (раздел 8.2.3). Гене Пасс "РДики) могут находиться в активном или пассивном состоянии акти"™ состоянии они являются для сети большой нагрузкой (сопротивлением)

тивном состоянии они питают сеть дифференциальным напряжением в преде-

%у ° между двумя выходными контактами. Одна полярность соответ-ет двоичному "О", т. е. один контакт имеет положительный потенциал по отноше-