«Б.В. Шевкопляс СБОРНИК ЗАДАЧ по учебному курсу “Синхронизация в телекоммуникационных системах” кафедры ТКС (телекоммуникационные системы) Учебное пособие Утвержден Советом УМО по образованию в области телекоммуникаций ...»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

"Московский государственный институт электронной техники (технический университет)"

(МИЭТ)

Б.В. Шевкопляс

СБОРНИК ЗАДАЧ

по учебному курсу “Синхронизация в телекоммуникационных системах” кафедры ТКС (телекоммуникационные системы) Учебное пособие Утвержден Советом УМО по образованию в области телекоммуникаций 28.02.2008 г Москва 2009 Приведены более ста задач и вопросов по учебному курсу “Синхронизация в телекоммуникационных системах” кафедры ТКС (телекоммуникационные системы) московского государственного института электронной техники (технического университета МИЭТ).

Учебное пособие рекомендовано УМО по образованию в области телекоммуникаций в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки дипломированных специалистов 210400 — Телекоммуникации.

Может быть полезно аспирантам и техническим специалистам, желающим проконтролировать и расширить свои базовые знания в части освоения практических задач построения телекоммуникационных систем и их составных частей.

Учебное пособие может использоваться при проведении собеседований и экзаменов по отдельным читаемым на кафедре курсам или при приёме государственного экзамена по их совокупности.

© Автор, 2 Сборник задач по учебному курсу “Синхронизация в телекоммуникационных системах” Содержание 1. Предисловие

2. Элементы теории, вопросы, задачи

2.1. Взаимодействие между устройствами типа DTE и DCE

2.2. Вопросы и задачи к разделу 2.1

2.3. Способы кодирования данных для их передачи по каналу связи

2.4. Вопросы и задачи к разделу 2.3

2.5. Вероятностная синхронизация

2.6. Вопросы и задачи к разделу 2.5

2.7. Передача данных по фантомным цепям каналов связи

2.8. Вопросы и задачи к разделу 2.7

2.9. BER-тестеры

2.10. Вопросы и задачи к разделу 2.9

2.11. Предотвращение зацикливания синхросигналов

2.12. Вопросы и задачи к разделу 2.11

2.13. Скремблирование — дескремблирование данных

2.14. Вопросы и задачи к разделу 2.13

2.15. Усовершенствование систем с попутной синхронизацией

2.16. Вопросы и задачи к разделу 2.15

2.17. Структурирование потоков данных

2.18. Вопросы и задачи к разделу 2.17

2.19. Программное управление потоком данных

2.20. Вопросы и задачи к разделу 2.19

2.21. Выделение синхросигнала и данных из принимаемого сигнала

2.22. Вопросы и задачи к разделу 2.21

2.23. Сопряжение разноскоростных устройств

2.24. Вопросы и задачи к разделу 2.23

2.25. Канал Е1

2.26. Вопросы и задачи к разделу 2.25

2.27. Объединение удаленных сегментов сети Ethernet 10 Base T

2.28. Вопросы и задачи к разделу 2.27

2.29. Проскальзывания синхронизации

2.30. Вопросы и задачи к разделу 2.29

2.31. Мультиплексирование разнородных потоков данных (Е1, Ethernet, V.35)

2.32. Вопросы и задачи к разделу 2.31

3. Ответы и решения

4. Литература

Сборник задач по учебному курсу “Синхронизация в телекоммуникационных системах” Многие вещи нам непонятны не потому, что наши понятия слабы; но потому, что cии вещи не входят в круг наших понятий.

К. Прутков 1. Предисловие Опыт работы со студентами старших курсов МИЭТ — московского государственного института электронной техники (технического университета) — показывает, что теоретическая сторона читаемых на кафедре ТКС (телекоммуникационные системы) курсов лекций в ряде случаев воспринимается ими в значительной степени абстрактно, без должной привязки к конкретным практическим задачам.

Настоящий сборник призван до некоторой степени восполнить этот недостаток и показать студентам, что полученная ими теоретическая подготовка позволяет решать достаточно сложные инженерные задачи.

Данное учебное пособие предназначено для студентов, получающих образование по специальностям 2010 (Многоканальные телекоммуникационные системы) и 2018 (Защищенные системы связи). Пособие может быть полезно аспирантам и техническим специалистам, желающим проконтролировать и расширить базовые знания в части освоения практических задач построения телекоммуникационных систем и их составных частей.

Приведенные вопросы и задачи могут предлагаться студентам при проведении собеседований и экзаменов по отдельным курсам или при приёме государственного экзамена по совокупности читаемых на кафедре курсов.

Каждая тема сопровождается ссылкой на источники информации — книги, статьи, патенты, стандарты или иные документы, в которых содержатся сведения, необходимые и достаточные для решения тематической группы задач или конкретной задачи. По мере возможности (с учётом ограниченного объёма данного учебного пособия) часть необходимых материалов цитируется в начале соответствующих разделов. Однако для лучшего понимания постановки задач и методов их решения рекомендуется дополнительно изучить материалы в соответствии с приведенным списком литературы.

Раздел “Ответы и решения” позволяет студентам на этапе подготовки к экзамену сопоставить собственный ход рассуждений с предлагаемым в данном учебном пособии. При проведении экзамена студенту предоставляется только вопрос или условие задачи без ответа или решения.

Для решения некоторых задач следует воспользоваться калькулятором.

Автор выражает благодарность инициатору данного издания, заведующему кафедрой телекоммуникационных систем, д. т. н., профессору В.В. Баринову за организацию работ по формированию данного учебного пособия, а также за замечания и предложения по улучшению его содержания.

Отзывы, замечания и предложения присылайте, пожалуйста, по адресу электронной почты кафедры ТКС МИЭТ: [email protected].

2. Элементы теории, вопросы, задачи 2.1. Взаимодействие между устройствами типа DTE и DCE Литература к разделу 2.1: [1], гл. 1 — 3; [4] 2.1.1. Введение в раздел 2. Исторически сложилось так, что аббревиатуры DTE и DCE хотя и имеют однозначную расшифровку, но в зарубежной и отечественной литературе применяются по-разному (Рис. 2.1).

DTE – Data Terminal Equipment – оконечное оборудование данных (ООД);

DCE – Data Communication Equipment – аппаратура передачи данных (АПД).

DTE DCE

DCE DCE

Рис. 2.1. Неоднозначность трактовки аббревиатур DTE и DCE Далее аббревиатуры DTE и DCE используются только применительно к интерфейсам семейства RS (RS-232, V.35 и другим).

На Рис. 2.2 показана схема соединения устройств типа DTE и DCE и приведены основные сигналы интерфейса RS-232. Общая цепь сигнальной земли на рисунке не показана, родственные группы сигналов выделены овалами. Если отвлечься от функционального назначения компьютера и модема, то можно утверждать, что устройства типа DTE и DCE различаются направлениями передачи сигналов интерфейса RS-232 (или иного интерфейса из семейства RS).

Всего лишь этим!

Сборник задач по учебному курсу “Синхронизация в телекоммуникационных системах” Для удобства запоминания различий между устройствами DTE и DCE можно воспользоваться шутливыми правилами:

DTE — устройство, у которого сигнал передаваемых данных TxD является выходным (по ассоциации с фразой “Dанные — ТЕбе”);

DCE — устройство, у которого сигнал передаваемых данных TxD является входным (по ассоциации с фразой “Dанные — СЕбе”).

В этой шутке стопроцентная доля правды. Как видно из Рис. 2.2, можно дать до десяти подобных пар определений по числу задействованных сигналов; каждый сигнал — выходной для одного устройства и входной для другого. Может быть, кому-то покажется удобной для запоминания такая пара определений:

DTE — устройство, которое принимает сигнал DCD;

DCE — устройство, которое выдает сигнал DCD.

Здесь рассуждаем так. Если устройство следит за состоянием линии и способно формировать сигнал обнаружения несущей (DCD — Data Сhannel received line signal Detector), то оно явно коммуникационное (DCE); устройство, которое поглощает этот сигнал, не иначе как терминальное (DTE).

При описании взаимодействия устройств типа DTE и DCE мы остановились на интерфейсе RS-232 как наиболее простом и распространенном. Этот интерфейс был разработан в 1969 г. и с тех пор не раз модифицировался и “ветвился”. Однако показанные на Рис. 2.2 сигналы, передаваемые между устройствами DTE и DCE, можно найти в любой его версии, если иметь в виду логическое представление сигналов (“есть — нет”).

Иногда ошибочно считается, что интерфейс RS-232 работает только в асинхронном режиме (о синхронном и асинхронном режимах — позже). Эта типичная ошибка основана на широко распространенной реализации минимального подмножества сигналов интерфейса RS- в персональных компьютерах. Не следует ассоциировать термин “RS-232” с термином “асинхронный режим” работы порта, так как полный вариант интерфейса может работать как в асинхронном, так и в синхронном режимах. Последний характеризуется расширенным набором участвующих в обмене цепей, точнее, дополнительным использованием трех цепей синхронизации: CLK, TxC и RxC (см. Рис. 2.2).

6 Сборник задач по учебному курсу “Синхронизация в телекоммуникационных системах” На физическом уровне сигналы передаются разными уровнями напряжения. Например, стандарты RS-232C, RS-232D предусматривают уровни передачи сигнала от ±5 В (min) до ±15 В (max) относительно общей сигнальной земли; в стандарте RS-422A сигналы передаются в дифференциальном виде ±2 В (min), в стандарте RS-485 — уровнями напряжения ±1,5 В (min) и т. д.

К последним модификациям интерфейсов семейства RS-232 можно отнести следующие:

ANSI/TIA/EIA-232-F-1999, ANSI/TIA/EIA-574-90(R98), ANSI/TIA/EIA-723-98, ANSI/TIA/EIAB-96.

Сигналы TxD, CLK, TxC, RxD, RxC Сигналы TxD, CLK, TxC, RxD, RxC примечательны тем, что их функциональное назначение не вызывает неоднозначной трактовки. С них и начнем.

TxD — Transmitted Data — данные, передаваемые из устройства DTE в устройство DCE в асинхронном или синхронном режиме.

В синхронном режиме границы и середины битовых интервалов соответствуют положительным и отрицательным фронтам синхросигнала, передаваемого по отдельной цепи. Этот режим преимущественно используется в высокопроизводительных системах передачи данных.

В асинхронном режиме каждая передаваемая группа битов (обычно — байт) обрамляется двумя служебными битами Старт и Стоп. Приемник данных определяет середины битовых интервалов, начиная отсчет времени от начала бита Старт. Таким образом, цепь передачи синхросигнала не используется. Асинхронный режим применяется очень широко, так как его аппаратная реализация более проста — на рынке имеется ряд дешевых микросхем универсальных асинхронных приемопередатчиков (UART). Но за эту простоту приходится платить снижением эффективности использования цепей передачи данных, как будет показано далее.

2.1.2. Взаимодействие устройств в асинхронном режиме Напомним, что для конкретности мы рассматриваем интерфейс RS-232, хотя логические соотношения между сигналами такие же, как и в иных интерфейсах семейства RS (RS-422, RSи др.).

В асинхронном режиме передаваемые данные представлены потоком символов, каждый из которых снабжен служебными битами Старт и Стоп (Рис. 2.3).

Рис. 2.3. Временная диаграмма передачи данных в асинхронном режиме Число стоп-битов при настройке устройств обычно выбирают равным 1 или 2, реже 1, (имеется в виду интервал времени, в полтора раза превышающий длительность битового интервала). Число битов (5...8) в символе, наличие или отсутствие контрольного разряда (дополняющего число единичных битов символа до четного или нечетного) и скорость передачи также задаются при начальной настройке. Скорость передачи V обычно составляет 50... 460800 бит/с, но может быть и более высокой в скоростных версиях интерфейса.

Приемник синхронизируется положительным фронтом (переходом напряжения от –12 В к +12 В) сигнала Старт. Зная длительность битового интервала T = 1/V и формат посылки, приСборник задач по учебному курсу “Синхронизация в телекоммуникационных системах” емник последовательно считывает передаваемые биты. Асинхронность состоит в том, что приемник не знает, в какой момент поступит очередной символ. Иными словами, отсутствует единая для всего потока данных синхронизация, т. е. она имеет локальный характер — устанавливается заново всякий раз при обнаружении приемником начала очередного старт-бита.

2.1.3. Взаимодействие устройств в синхронном режиме Синхронный режим позволяет более эффективно использовать цепи передачи данных за счет исключения старт- и стоп-битов. Поясним это на примере.

Предположим, что при передаче данных в асинхронном режиме символ содержит 8 бит (байт), контроль по четности или нечетности отсутствует, стоп-бит один. Тогда, с учетом стартового бита, для передачи каждого байта нужно 10 битовых интервалов (соответствующих передаче старт-бита, восьми битов данных и стоп-бита). При объявленной скорости передачи данных 115200 бит/с и отсутствии пауз между стоп- и старт-битами скорость передачи байтов равна 115200 / 10 = 11520 байт/с или 115208 = 92160 бит/с. Таким образом, фактическая скорость передачи данных составляет 0,8 от объявленной.

В синхронном режиме эти скорости одинаковы, так как передаются только полезные биты;

их истинность подтверждается синхросигналами в соответствующих цепях интерфейса. Возможны два варианта взаимодействия устройств.

Вариант 1. Направления передачи синхросигналов CLK и передаваемых данных TxD совпадают (codirectional — сонаправленная или попутная синхронизация), т. е. источник данных и синхросигналов один и тот же (Рис. 2.4, а).

Рис. 2.4. Временные диаграммы передачи данных TxD в синхронном режиме:

CLK — Transmitter signal element timing (DTE) — сигнал синхронизации передаваемых данных, формируемый устройством DTE. По отрицательному фронту (перепаду напряжения от +12 В до –12 В) сигнала CLK приемник запоминает бит данных. По положительному фронту этого сигнала в линию TxD поступает следующий бит.

Далее для краткости описания систем, в которых используется синхронный обмен данными, используется термин “синхросетка”. Он определяет систему отсчета битовых интервалов и соответствует показанной на рисунке разметке сигнала данных с помощью группы штриховых вертикальных линий. Выражение “два потока данных размещены в одной синхросетке” означает, что границы битовых интервалов этих потоков совпадают во времени. Напротив, выражение “два потока данных размещены во взаимно смещенных на 180 градусов синхросетках” означает, что границы битовых интервалов этих потоков не совпадают во времени: центр битового интервала одного потока совмещен с границей битового интервала второго потока, и наоборот.

Вариант 2. Направления передачи синхросигналов TxC и передаваемых данных TxD противоположны (contradirectional — противонаправленная или встречная синхронизация), т. е. источник данных размещен в одном устройстве, а источник синхросигналов — в другом (Рис. 2.4, б).

TxC — Transmitter signal element timing (DCE) — сигнал синхронизации передаваемых данных TxD, формируемый устройством DCE. Получив положительный фронт этого сигнала, пеСборник задач по учебному курсу “Синхронизация в телекоммуникационных системах” редатчик выдает очередной бит; затем по отрицательному фронту сигнала приемник фиксирует новый бит и т. д. Сигналы CLK или TxC передаются непрерывно на протяжении всего сеанса связи между устройствами. Скважность этих сигналов обычно равна двум.

2.1.4. Сравнение методов попутной и встречной синхронизации Какая синхронизация лучше: попутная (CLK — TxD) или встречная (TxC — TxD)? Если рассуждать теоретически, то предпочтительна первая, и вот почему. В первом варианте передачи данных задержки распространения сигналов TxD и CLK в кабеле между устройствами DTE и DCE в значительной мере взаимно компенсируются благодаря примерно одинаковым условиям следования этих сигналов “параллельными курсами”.

Второй вариант основан на не совсем оправданной “вере” в то, что запрос (положительный фронт сигнала ТхС) на выдачу очередного бита данных будет мгновенно удовлетворен, и отрицательный фронт сигнала TxC попадет в середину битового интервала (см. Рис. 2.4, б). Но отклонение составляет как минимум две задержки распространения сигналов по кабелю и четыре задержки интерфейсных схем на пути прохождения запроса (TxC) и ответа (TxD). Действительно, ведь правильно было бы передать запрос, дождаться поступления бита данных, и только тогда начинать отсчет интервала времени для указания момента последующего приема этого бита. Конечно, отмеченные различия между вариантами несущественны при низких скоростях передачи данных.

И все же на практике чаще всего применяется встречная синхронизация. Это связано с тем, что во всех отношениях удобно провести границу между системой транспортирования данных и прочими устройствами. А если это так, то система транспортирования должна быть функционально законченной и, в частности, иметь собственный генератор синхросигналов. Таким образом, принимаемые в систему транспортирования данные неизбежно окажутся объектом встречной синхронизации.

2.1.5. Когда полезно проинвертировать синхросигнал Реальность часто вносит коррективы даже в простые решения, которые мы сейчас рассматриваем. В силу разных причин, начиная от влияния паразитных емкостей и заканчивая элементарными ошибками при монтаже устройства (когда в труднодоступном месте перепутаны контакты, на которые выведен парафазный синхросигнал), реальная временная диаграмма может сильно отличаться от теоретической. Причем настолько, что имеет смысл проинвертировать синхросигнал, чтобы получить более точное попадание его отрицательного фронта на период стабильности бита данных, как показано на Рис. 2.5.

Рис. 2.5.Реальная временная диаграмма. Скважность синхросигналов На рисунке затемненными прямоугольниками показаны запасы времени установления сигнала TxD при его регистрации. Очевидно, что лучше иметь больший запас, чем меньший, хотя здесь нас может подстерегать другая опасность — приближая отрицательный фронт синхроСборник задач по учебному курсу “Синхронизация в телекоммуникационных системах” сигнала к концу битового интервала (т. е. увеличивая длину затемненного прямоугольника), мы рискуем зарегистрировать нестабильные данные.

Рассмотрим сигналы RxD и RxC.

RxD — Received data — данные, принимаемые устройством DTE в асинхронном или синхронном режиме. Асинхронный режим передачи сигналов RxD аналогичен рассмотренному ранее (см. Рис. 2.3, на котором обозначение TxD теперь следовало бы изменить на RxD). Синхронный режим также аналогичен рассмотренному ранее первому варианту передачи сигналов TxD (Рис. 2.6).

Рис. 2.6. Временная диаграмма передачи данных RxD в синхронном режиме RxC — Receiver signal element timing (DCE) — сигнал синхронизации данных RxD, формируемый устройством DCE. Истинность бита данных подтверждается отрицательным фронтом сигнала RxC, как показано на рисунке; смена бита данных возможна по положительному фронту сигнала RxC.

2.1.6. Пары сигналов DTR — DSR и DTR — DCD Начнем с определений.

DTR — Data terminal ready — готовность устройства DTE к обмену данными.

DSR — Data set ready — готовность устройства DCE к обмену данными.

DCD — Data channel received line signal detector — детектор принимаемого линейного сигнала канала данных. Иными словами, это подтверждение наличия в линии сигнала от удаленного абонента, причем гарантируется, что параметры принимаемого сигнала лежат в заранее оговоренных пределах для его уверенного распознавания. Напомним, что традиционная расшифровка сокращения DCD — Data carrier detect — сигнал обнаружения несущей.

Первоначально сигналы DTR и DSR рассматривались как парные, т. е. взаимодополняющие, квитирующие. Это вполне естественно, так как прежде чем начать обмен данными, нужно как минимум иметь сведения о готовности партнера к обмену. Однако сегодня пара DTR — DSR явно устарела, и более информативной выглядит пара DTR — DCD. Чтобы понять, почему это произошло, обратимся к недалекому прошлому.

В ранних разработках телекоммуникационной аппаратуры широко использовался полудуплексный режим обмена данными с удаленным абонентом. В таком режиме данные передаются попеременно то в одном, то в другом направлении. Ясно, что в полудуплексном режиме при передаче данных в линию сигнал DCD не несет информации, так как принимаемого сигнала нет. Поэтому пара сигналов DTR — DSR, как и положено, подтверждает взаимную готовность устройств к работе, а сигнал DCD обретает смысл лишь в периоды приема данных из линии.

С развитием телекоммуникационной аппаратуры основным режимом обмена стал полностью дуплексный, при котором данные передаются одновременно в обе стороны. В таком режиме сигнал DCD сохраняет смысл на протяжении всего времени пребывания на связи пары модемов. Поэтому появилась возможность возложить на сигнал DCD дополнительную смысловую нагрузку, которую ранее нес сигнал DSR (последний и стал лишним). Другими словами, теперь многие устройства типа DCE спроектированы так, что сигнал DCD отвечает не только за обнаружение несущей, но и за общую готовность устройства к работе.

10 Сборник задач по учебному курсу “Синхронизация в телекоммуникационных системах” Таким образом, сигнал DSR во многом утратил былое значение, и сейчас в массе производимых отечественных и зарубежных изделий пары взаимодополняющих сигналов DTR — DCD встречаются чаще, чем DTR — DSR. При этом цепь передачи сигнала DSR может отсутствовать; на освободившийся вход DSR устройства DTE обычно подается постоянное напряжение +12 В, имитирующее готовность устройства DCE к работе.

2.1.7. Сигналы RTS и CTS В общем случае эти сигналы используются для управления потоками данных. Однако их первоначальное назначение (для отображения запроса и готовности передачи данных от устройства DTE к устройству DCE) в настоящее время зачастую игнорируется — эти сигналы могут альтернативно трактоваться как равноправные признаки готовности устройств DTE и DCE к приему данных от устройства — партнера.

Поясним сказанное. Сначала рассмотрим первоначальное назначение сигналов RTS и CTS, определенное в рекомендации V.24.

RTS — Request to send — запрос на передачу данных;

CTS — Ready for sending — готовность к передаче данных. Традиционная расшифровка аббревиатуры CTS — Clear to send — означает “свободен, прозрачен для передачи”.

Во времена преимущественного использования полудуплексного обмена данными с удаленным абонентом сигналы RTS и CTS имели однозначную трактовку (она справедлива и сейчас для полудуплексных систем). Сигнал RTS выражал просьбу, адресованную устройству DCE со стороны устройства DTE, примерно такого содержания: “Прошу при первой возможности переключиться из состояния прослушивания линии связи с удаленным абонентом в режим передачи данных в эту линию”. После выполнения этой просьбы в устройство DTE посылался ответный сигнал CTS подтверждения факта переключения устройства DCE с приема на передачу данных в линию. Отметим, что к этому моменту удаленный абонент также должен был успеть переключиться с передачи на прием (если он передавал данные в ту же линию), чтобы исключить конфликты. И, наконец, после получения сигнала CTS устройство DTE начинало выдачу данных TxD.

В асинхронном режиме сигналы RTS и CTS обслуживают оба направления передачи данных, что отражает некий “стандарт де-факто”. Поэтому наименования сигналов не соответствуют (и даже противоречат) их назначению. Сигнал RTS теперь рассматривается как готовность устройства DTE принять данные RxD от устройства DCE. Аналогично сигнал CTS свидетельствует о готовности устройства DCE принять данные TxD от устройства DTE и способности передать эти данные в линию.

Логика работы такова: передача данных в ту или иную сторону возможна только при условии, что приемник готов эти данные принять. Если обнаружена неготовность приемника, то источник данных приостанавливает работу, ждет появления готовности, возобновляет передачу и т. д. Это — так называемое аппаратное управление потоком данных (hardware flow control).

2.1.8. Программное управление потоком данных В отличие от только что рассмотренного аппаратного управления потоком данных, программное управление (software flow control) применяется в асинхронном режиме при использовании кода ASCII (или иного символьного кода, построенного на основе ASCII). Сигналы RTS и CTS не используются, на соответствующие входы устройств DCE и DTE подается напряжение +12 В, имитирующее “аппаратную” готовность устройств к обмену данными. Поясним, как осуществляются процессы программного управления потоками данных между устройствами DTE и DCE.

Сборник задач по учебному курсу “Синхронизация в телекоммуникационных системах” В устройстве DTE имеется входная буферная память, в которую записывается поток данных, принимаемых по цепи RxD. Аналогично в устройстве DCE содержится буферная память для временного хранения данных, принимаемых по цепи TxD. Задача состоит в том, чтобы предотвратить переполнение буферной памяти в каждом устройстве, если темп поступления данных выше темпа их рассасывания.

Рассмотрим сначала ситуацию, при которой устройство DTE (компьютер, см. Рис. 2.2) не справляется с потоком данных RxD, поступающих из линии через устройство DCE (модем). Такая ситуация возможна даже при не очень высокой скорости асинхронного обмена, если, например, компьютер в данный период выполняет более приоритетную задачу, не связанную с текущим обменом.

Когда буфер устройства DTE заполняется до некоторого критического уровня, например до 90%, компьютер переходит к прерывающей программе, которая предписывает выдать в цепь TxD символ Xoff — код 1316 = 0001.00112 в ASCII. Получив этот символ, модем приостанавливает выдачу данных RxD. В зависимости от построения программного обеспечения компьютер либо сразу возвращается к прерванной задаче, либо приступает к разгрузке буфера, либо переходит к каким-то иным действиям. В любом случае должен наступить момент, когда буфер окажется достаточно свободным для получения новых данных. Тогда в цепь TxD будет программно выдан символ Xon = 1116, модем возобновит выдачу данных RxD и т. д.

Противоположная ситуация состоит в том, что модем не справляется с потоком данных TxD. В этом случае он посылает в компьютер по цепи RxD символ Xoff, приостанавливая поток. После рассасывания данных через линию модем посылает по цепи RxD символ Xon, передача данных возобновляется и т. д.

Примечательно, что символы Xon и Xoff, посылаемые из компьютера в модем, в линию связи с удаленным абонентом не передаются.

Пока остаётся открытым вопрос о том, как приёмник отличает истинные команды Xon и Xoff от их копий, являющихся обычными данными. Об этом — позже (см. п. 2.19).

2.1.9. Трехпроводный вариант интерфейса RS- В этом упрощенном варианте интерфейса число используемых сигналов сокращено до двух. Кабель, соединяющий два устройства, содержит всего три провода: первый — для объединения цепей сигнальной земли, второй и третий — для передачи сигналов TxD и RxD (см.

Рис. 2.2, на котором следовало бы исключить все “лишние” связи, а на освободившиеся входы подать напряжение +12 В). Чтобы уменьшить амплитуду перекрестных помех, следует вместо трех проводов использовать две витые пары “земля — сигнал”.

Поскольку цепи синхронизации отключены, обмен данными возможен только в асинхронном режиме. При достаточном “интеллекте” устройств в поток символов можно вводить “уникальные” коды, которые расцениваются приемником как команды, так что трехпроводный вариант интерфейса оказывается не столь примитивным, как это может показаться на первый взгляд.

Существует и аппаратная поддержка трехпроводного варианта интерфейса, правда, затрагивающая всего лишь один режим, связанный с окончанием сеанса связи между устройствами.

Если одно из устройств желает прекратить взаимодействие с другим устройством, то оно вместо обычного формирует расширенный старт-бит длительностью более 300 мс. Устройство — приемник первоначально расценивает эту ситуацию как ошибочную, но по истечении 300 мс принимает к сведению факт логического разрыва соединения и очищает свою буферную память от ошибочных данных, принятых за это время.

2.1.10. Электрические уровни сигналов интерфейса RS- Возвращаясь к Рис. 2.2, отметим, что, согласно интерфейсу RS-232, электрические уровни всех входящих в него сигналов отсчитываются от сигнальной земли SG — signal ground or 12 Сборник задач по учебному курсу “Синхронизация в телекоммуникационных системах” common return. Управляющие сигналы передаются в прямом коде, т. е. наличию сигнала соответствует типовой уровень напряжения +12 В, а его отсутствию — минус 12 В. Данные TxD и RxD представляются в обратном коде, т. е. сигналу лог. 1 соответствует напряжение минус 12 В, а сигналу лог. 0 — напряжение +12 В (см. Рис. 2.3). Старт- и стоп-биты передаются соответственно положительным и отрицательным уровнями напряжения.

Формирователь сигнала должен выдавать напряжение высокого уровня в пределах +5...+15 В или напряжение низкого уровня в пределах минус 5...15 В (типовое значение: ±12 В).

Приемник расценивает входное напряжение из диапазона +3...+25 В как напряжение высокого уровня, и из диапазона минус 3...25 В как напряжение низкого уровня.

Если вход не используется, то на него следует подать соответствующее напряжение высокого или низкого уровня. Например, входы DSR, DCD, TxC и CTS (см. Рис. 2.2) можно отключить от соответствующих цепей и подать на них напряжение +12 В. При таком подключении предполагается, что модем всегда готов к работе, в линии постоянно присутствует полноценный принимаемый сигнал, передача данных TxD в синхронном режиме происходит только с использованием сигнала CLK, управление потоком данных в асинхронном режиме либо программное (Xon — Xoff), либо аппаратное (hardware flow control), но одностороннее, при котором модем никогда не “возражает” против приема данных TxD, а в синхронном режиме он всегда готов начать или продолжить прием данных TxD и их передачу в линию. Отметим, что поскольку напряжение +12 В в явном виде не выведено на соединитель, входы DSR, DCD, TxC и CTS можно соединить с выходом DTR, на котором при нормальной работе устройства это напряжение присутствует.

Предыдущие описания сигналов и режимов работы интерфейса RS-232 основывались на “классической” схеме соединения устройств типа DTE и DCE (см. Рис. 2.2). Однако эта схема не является единственно возможной. Рассмотрим другие схемы соединения взаимодействующих устройств.

2.1.11. Асинхронный обмен данными между одноименными устройствами типа DTE/DCE На практике часто необходимо соединить между собой два одноименных устройства: DTE — DTE или DCE — DCE. Сначала рассмотрим взаимодействие этих устройств в асинхронном режиме (при котором цепи синхронизации не используются); взаимодействие в синхронном режиме будет описано далее.

Рассмотрим типовые варианты сопряжения двух устройств типа DTE, представленные на Рис. 2.7. Предположим, что все показанные на нем устройства — компьютеры, и каждый из них уверен, что его партнер — модем (именно для такой пары и был в свое время разработан интерфейс RS-232). Но модема в действительности нет, поэтому в данной ситуации соединительные кабели между устройствами называют нуль-модемными.

На рисунке представлены не все возможные варианты кабелей. К сожалению, если в документации на устройство нет четко сформулированных условий формирования и проверки управляющих интерфейсных сигналов (а так чаще всего и бывает), то “творческий процесс” неизбежен, т. е. придется применять и изобретать разные варианты кабелей.

Цифрами обозначены номера контактов соединителя DB-25 (вилка), штриховой линией — провод, соединяющий цепи GND защитной земли (этих цепей может и не быть); цепи сигнальной земли SG в общем случае изолированы от цепей GND. Во всех вариантах выход TxD соединен с входом RxD устройства — партнера.

Вариант а отличается от варианта б способом формирования входного сигнала DCD: в первом случае он повторяет сигнал DTR, во втором — сигнал RTS устройства — партнера. Вариант а, пожалуй, наиболее логичен. Действительно, здесь мы видим две (и даже три!) классические пары взаимодополняющих сигналов управления: RTS — CTS, DTR — DSR и DTR — DCD. Этот вариант наиболее распространен, и его имеет смысл использовать в тех случаях, коСборник задач по учебному курсу “Синхронизация в телекоммуникационных системах” гда нет достаточной информации об особенностях реализации интерфейса соединяемых устройств.

DTE DTE

GND GND

DTE DTE

GND GND

DTE DTE

GND GND

DTE DTE

GND GND

Рис. 2.7. Некоторые варианты соединения устройств типа DTE 14 Сборник задач по учебному курсу “Синхронизация в телекоммуникационных системах” В варианте б входы CTS и DCD объединены. Это означает, что пассивное состояние сигнала на объединенных входах (напряжение минус 12 В) воспринимается не только как неготовность приемника устройства — партнера, но и как его общая неготовность к работе. Поэтому помимо классического аппаратного управления потоком данных по цепям RTS — CTS (как в варианте а) здесь наблюдается некий побочный эффект. Он заключается в том, что приостановка потока в одном из направлений (снятием сигнала RTS) влечет за собой прекращение приема данных, передаваемых в противоположном направлении, так как при отсутствии сигнала DCD принимать данные нет смысла. Хорошо это или плохо — решает тот, кто точно знает цель построения конкретной системы из двух устройств типа DTE.

Вариант в отличается от варианта б невозможностью работы в режиме аппаратного управления потоком данных, так как между устройствами нет связей по цепям RTS — CTS. Сходство этих вариантов — в полной блокировке обмена данными между устройствами при отсутствии сигнала RTS хотя бы в одном из них.

Вариант г предполагает постоянную готовность устройства — партнера к работе, так как входные управляющие сигналы имитируются, а не отражают истинное положение вещей.

Схемы сопряжения устройств типа DCE по смыслу близки рассмотренным ранее (см. Рис.

2.7). Они содержат общие цепи сигнальной SG и (не всегда) защитной GND земли, а также две перекрестные связи RxD — TxD. Типовой пример такой схемы приведен на Рис. 2.8.

DCE DCE

GND GND

В данном примере задействованы пары цепей CTS — RTS и DCD — DTR. Здесь также можно предложить ряд вариантов соединения. Например, вместо выхода DCD можно использовать выход DSR, выходы CTS можно соединить перемычками с входами RTS своих же устройств и т. п.

Интересно отметить, что соединительные кабели между устройствами DCE часто также называют нуль-модемными, хотя их по аналогии правильнее было бы назвать нулькомпьютерными.

2.1.12. Взаимодействие устройств типа DTE/DCE в синхронном режиме: типовые решения В синхронном режиме, так же как и в асинхронном, возможно взаимодействие устройств типа DTE и DCE в любых сочетаниях.

Напомним, что пара устройств DTE — DCE обычно объединяется прямыми связями между одноименными контактами соединителей (см. Рис. 2.2). Отметим также, что три сигнала синхронизирующей группы (CLK, TxC, RxC) не используются одновременно: возможны лишь сочетания CLK — RxC или TxC — RxC. При объединении одноименных пар устройств (DTE — DTE и DCE — DCE) помимо использования цепей, рассмотренных ранее (см. Рис. 2.7 и Рис.

2.8), необходимо должным образом соединить контакты, отвечающие за синхронизацию.

Сборник задач по учебному курсу “Синхронизация в телекоммуникационных системах” Можно предложить десятки вариантов схем сопряжения одноименных и разноименных устройств (DTE и DCE). Эти схемы различаются числом и местоположением источников синхросигналов, выбором сочетания цепей CLK — RxC или TxC — RxC, структурными особенностями устройств, схемами кабелей и т. д.

Чтобы не запутаться в этих вариантах и не тратить силы на изучение “полуэкзотических” решений, рассмотрим лишь некоторые показательные схемы сопряжения. Для этого обратимся к наиболее распространенным примерам построения синхронных каналов связи между удаленными устройствами (Рис. 2.9 — Рис. 2.14).

В схемах, представленных на этих рисунках, данные передаются между оконечными устройствами через устройства типа DCE 1 и 2 (в наших примерах — через модемы) по каналу связи. Простейший канал связи — это одна или две витые пары медных проводов. В более общем случае канал связи может содержать последовательно включенные ретрансляторы, мультиплексоры и иные устройства. В наших примерах существенно только то, что канал связи представляет собой всего лишь некоторую среду передачи данных, смешанных с синхросигналами. При этом передача ведется одновременно в обоих направлениях.

Канал связи с подключенными к его началу и концу устройствами типа DCE удобно рассматривать как элементарную функционально-законченную транспортную систему передачи данных. Эта система может синхронизироваться от собственных или внешних опорных генераторов; тогда ее обычно называют соответственно системой с внутренней или внешней синхронизацией.

2.1.13. Системы с внутренней синхронизацией В схеме, приведенной на Рис. 2.9, каждое направление передачи данных обслуживается соответствующим генератором G1 и G2 синхросигналов высокой точности и стабильности. Номинальные частоты сигналов этих генераторов одинаковы, но фактически они, конечно, несколько различны (абсолютного совпадения быть не может). Рассмотрим процесс передачи данных из устройства DTE 1 в устройство DTE 2.

Рис. 2.9. Система с внутренней синхронизацией — первый вариант.

Под действием сигнала TxC от генератора G1 устройство DTE 1 выдает данные TxD в соответствии с временной диаграммой, приведенной на Рис. 2.4, б. Эти данные поступают в моТермин “точность” определяет степень соответствия номинальной (заявленной) частоты генератора усредненной по времени фактической (измеренной) частоте. Например, генератор с номинальной частотой 10 МГц может иметь фактическую частоту, усредненную за 100 часов, отличающуюся от номинальной на 0,4 Гц. Термин “стабильность” определяет степень соответствия фактической усредненной по времени частоты мгновенной измеренной частоте. Эти частоты могут различаться, например, на 0,7 Гц. Таким образом, генератор может быть: а) точным и стабильным; (б) точным, но нестабильным; в) неточным, но стабильным; г) неточным и нестабильным. Для оценки генераторов приняты стандартные уровни качества [1].

16 Сборник задач по учебному курсу “Синхронизация в телекоммуникационных системах” дем 1, временно в нем запоминаются и затем под действием синхросигнала от того же генератора G1 кодируются и передаются в канал связи. Таким образом, в канал поступает смесь данных с синхросигналом.

Модем 2 выделяет из полученной по каналу смеси синхросигнал и данные. Синхросигнал очищается от помех, данные временно запоминаются. Далее под управлением восстановленного синхросигнала, именуемого теперь сигналом RxC, данные RxD передаются из модема 2 в устройство DTE 2 в соответствии с временной диаграммой, приведенной на Рис. 2.6. Схема симметрична, поэтому процесс передачи данных в обратном направлении аналогичен описанному.

Схема, показанная на Рис. 2.10, отличается от предыдущей тем, что вместо синхросигнала от генератора G2 используется синхросигнал, выделенный из канала. В данном случае все процессы протекают под управлением генератора G1 ведущего (Master) модема 1. Ведомый (Slave) модем 2, по существу, помимо прочих, выполняет функцию ретранслятора синхросигнала от генератора G1.

Передача данных из устройства DTE 1 в устройство DTE 2 аналогична описанной ранее.

При передаче данных в обратном направлении они временно запоминаются в модеме 2 и затем выдаются в канал, но в этом случае процессы синхронизируются выделенным из канала сигналом.

Рис. 2.10. Система с внутренней синхронизацией — второй вариант Отметим, что сигналы TxC и RxC на входах устройства DTE 1 имеют одинаковую частоту, но взаимно сдвинуты по фазе на некоторый заранее неизвестный угол (но это не нарушает работоспособности данной системы). Поэтому передаваемые и принимаемые данные принадлежат взаимно сдвинутым по фазе синхросеткам, по которым определяются границы и центры битовых интервалов. Например, положительный фронт сигнала TxC может быть близок отрицательному фронту сигнала RxC (сдвиг близок 180 град.) и т. п. Сдвиг вызван существенным различием задержек распространения сигнала от одного и того же генератора G1 до входов устройства DTE 1 по короткому и длинному путям.

Кроме того, качество сигнала после его прохождения по длинному пути может в той или иной степени снизиться [1].

Следует отметить, что для нормальной работы некоторых устройств (мультиплексоров и т.

п.) подобный фазовый сдвиг между синхросетками передаваемых и принимаемых данных недопустим.

2.1.14. Системы с внешней синхронизацией В схеме на Рис. 2.11 опорный генератор размещен в оконечном устройстве типа DCE 1. Под действием синхросигнала с этого генератора данные передаются из устройства DCE 1 в модем 1, временно запоминаются в нем и затем в смеси с синхросигналом поступают в канал связи.

Модем 2 и оконечное устройство типа DTE работают в тех же режимах, что и в схеме, привеСборник задач по учебному курсу “Синхронизация в телекоммуникационных системах” денной на Рис. 2.10. Обратная передача данных из модема 1 в устройство DCE 1 сопровождается выделенным из канала сигналом RxC, который при поступлении в это устройство трактуется как сигнал CLK.

Рис. 2.11. Система с внешней синхронизацией — первый вариант Схема на Рис. 2.12 отличается от приведенной на Рис. 2.11 двумя существенными особенностями.

Во-первых, генератор G1 формирует синхронные и синфазные сигналы RxC и TxC. Они, как и положено, соответственно сопровождают “свои” выходные данные и запрашивают “чужие”, поступающие на вход устройства DCE 1. Таким образом, модем 1 при взаимодействии с устройством DCE 1 должен выдавать и принимать данные, размещенные в одной и той же синхросетке.

Во-вторых, модем 1 дополнительно выполняет функцию привязки принимаемых из канала данных к исходному синхросигналу от генератора G1. Это осуществляется следующим образом. Модем 1, как и в предыдущих примерах, выделяет из канального сигнала синхроимпульсы и данные. Под действием этих синхроимпульсов принятые из канала данные временно запоминаются в буферной памяти (на рисунке эта память показана в виде черного квадрата). В отличие от описанного ранее сквозного прохождения синхросигнала через модем 1, дальнейшее распространение выделенных из канала синхроимпульсов прекращается, что условно отражено на схеме “крестиком”.

Рис. 2.12. Система с внешней синхронизацией — второй вариант Данные считываются из буферной памяти под управлением сигналов от генератора G1, поступающих по цепи G1 — RxC — CLK. Эти данные сопровождаются “своим” сигналом RxC, который, однако, не передается в устройство DCE 1, так как в кабеле DCE 1 — DCE 2 нет соответствующего провода.

В результате имеем следующий сценарий обмена данными. Устройство DCE 1 сопровождает свои выходные данные сигналом RxC. Модем 1 принимает этот сигнал на вход CLK и под 18 Сборник задач по учебному курсу “Синхронизация в телекоммуникационных системах” его управлением временно запоминает входные данные и пересылает их в канал. В то же время устройство DCE 1 запрашивает данные от модема 1 сигналом TxC, совпадающим с RxC. Оно уверено в привязке поступающих от модема 1 данных к сигналу TxC. И эта уверенность оправдывается благодаря правильному выбору режима синхронизации буферной памяти.

2.1.15. Использование модема как устройства типа DTE Пара модемов может работать с каналом связи в различных режимах. При этом, в частности, один из модемов может рассматриваться как устройство типа DTE. Мы ознакомимся только с одним из таких режимов (Рис. 2.13).

Как следует из схемы, модемы 1 и 2 выполняют соответственно функции устройств типа DTE и DCE. При этом обеспечивается параллельное и сквозное прохождение сигналов синхронизации “слева — направо” от двух внешних источников синхронизации, в общем случае независимых. Неизбежно возникает вопрос: может ли синхросигнал ТхС распространяться в канале навстречу “своим” же данным (т. е. как бы “против течения”)? Может, но описание подробностей такого распространения выходит за рамки настоящего учебного пособия (см. [1]). Краткое описание идеи приведено на с. 173.

2.1.16. Cистема с двумя последовательно включенными каналами Чтобы получить более общее представление о синхронизации систем, использующих приведенные решения, рассмотрим пример такой системы (Рис. 2.14). В ней применены две рассмотренные ранее схемы (см. Рис. 2.9 и Рис. 2.13). Последняя использована в качестве удлинителя для передачи сигналов RxC и TxC к удаленному оконечному устройству DTE 3. Пару модемов 2 и 3, расположенных недалеко друг от друга, можно рассматривать как ретранслятор.

Отметим, что при проектировании систем с внутренней и внешней синхронизацией необходимо следить за тем, чтобы в них не было замкнутых контуров распространения синхросигнала, не связанных с опорным генератором. В приведенных схемах таких контуров нет. Но в более сложных системах, состоящих из десятков или сотен синхронных устройств, предотвратить возникновение таких контуров бывает непросто (способы предотвращения зацикливания синхросигналов описаны в [1]).

Сборник задач по учебному курсу “Синхронизация в телекоммуникационных системах” Рис. 2.14. Система с двумя последовательно включенными каналами связи 2.1.17. Обнаружение и исправление ошибок синхронизации при передаче непрерывного асинхронного потока данных При асинхронной передаче данных между устройствами используются биты Старт и Стоп, обозначающие начало и конец информационной посылки. Если такие посылки следуют вплотную друг к другу, то биты Старт и Стоп “прячутся” среди информационных битов, т. е. становятся внешне неотличимыми от них. Может случиться так, что приемник по каким-либо причинам потерял синхронизацию с передатчиком либо включился в работу в то время как плотный поток асинхронных посылок уже присутствует на входе устройства.

Чтобы отыскать положение стартовых битов в потоке данных, можно накопить и обработать статистику перепадов сигналов между битовыми интервалами. На границах между стоп- и старт-битами всегда должен наблюдаться отрицательный фронт сигнала. Но для статистического анализа нужен достаточный “интеллект” приемника и, возможно, большое время наблюдения, так как массив передаваемых данных может быть представлен повторяющимися посылками, например вида 1010101. В данном случае будут обнаружены регулярно повторяющиеся информационные перепады сигнала, неотличимые от стартовых. Нельзя ли упростить решение задачи вхождения приемника в синхронизм с передатчиком?

Сначала небольшое отступление. Как показано в примере на Рис. 2.15, при неправильной синхронизации приемник расценивает бит 2 кода 1000110 как стартовый (ST). Бит 3 передаваемых данных воспринимается как бит 1, бит 4 — как бит 2 и т. д.

Однако благодаря передаче кода 1111111 правильная синхронизация восстанавливается.

Действительно, с точки зрения приемника этот код неотличим от обычной паузы между посылками. Последующий отрицательный фронт сигнала расценивается (на этот раз справедливо) как начало стартового бита очередной информационной посылки. Можно убедиться в том, что передача кода 1111111 гарантирует восстановление синхронизации при любом возможном смещении посылки из-за несвоевременного старта.

Отметим, что приемник может “не знать”, что он работал неправильно, если не зафиксированы ошибочные (нулевые) значения битов Стоп (SP). В процессе перехода к правильной синхронизации один из информационных битов кода 1111111 рассматривается приемником как стоп-бит, имеющий правильное логическое состояние. Поэтому момент перехода к правильной синхронизации не регистрируется, что усложняет последующую локализацию ошибок протоколами более высоких уровней.

20 Сборник задач по учебному курсу “Синхронизация в телекоммуникационных системах” Неправильно Рис. 2.15. Восстановление правильной синхронизации без обнаружения ошибки.

В рассмотренном далее решении для восстановления правильной синхронизации и обнаружения этого события используется периодическая передача служебного кода (Рис. 2.16). Этот код передается, например, в каждой тысячной посылке. При этом соблюдаются определенные правила, позволяющие отличить служебный код от обычного нулевого кода данных.

Неправильно Рис. 2.16. Восстановление правильной синхронизации с обнаружением ошибки Из рисунка видно, что код 0000000, так же как и код 1111111, применим для восстановления правильной синхронизации. Однако концовка неправильно принятой посылки формируется при взаимодействии с кодом 0000000 и поэтому будет обязательно содержать ошибочный стопбит (SP = 0). Это позволяет сформировать сигнал ошибки или его программный аналог. Таким образом, передатчик может периодически вводить в передаваемый поток данных служебные нулевые коды, предназначенные для обнаружения и коррекции возможных ошибок синхронизации приемника.

Чтобы отличить служебный нулевой код от нулевых данных, можно воспользоваться одним из следующих правил.

1. Нулевые данные (в отличие от служебного кода) дублируются. Так, вместо кода данных 0000000 передается пара кодов 0000000, 0000000. Приемник выделяет парные нулевые коды, отбрасывает дубли и рассматривает оставшиеся коды как данные. Непарные нулевые коды отбрасываются как служебные.

2. В каждую посылку, как обычно, вводится разряд контроля по четности (нечетности). Нулевые данные не дублируются. Они сопровождаются правильными контрольными разрядами. В отличие от нулевых данных, служебные нулевые коды преднамеренно снабжаются неправильными контрольными разрядами. Приемник игнорирует эти коды как не содержащие полезной информации.

Сборник задач по учебному курсу “Синхронизация в телекоммуникационных системах” 2.2. Вопросы и задачи к разделу 2. 2.2.1. В системе передачи данных, показанной на Рис. 2.17, применены Рассмотрите возможные варианты построения системы, при которых:

а) компьютер 1 — типа DTE, скремблер — типа DТE;

б) компьютер 1 — типа DTE, скремблер — типа DCE;

в) компьютер 1 — типа DСE, скремблер — типа DТE;

г) компьютер 1 — типа DСE, скремблер — типа DCE.

Замените символы “#”наименованиями сигналов. Структуры прямого и обратного каналов одинаковы.

Литература: [1], гл. 1 — 3; [4] Решение задачи приведено в разделе 3 на с. 2.2.2. В системе передачи данных, показанной на Рис. 2.18, применены Не нарушая синхронизацию, переместите генератор G из компьютера 1 в скремблер и рассмотрите варианты построения системы, при которых:

а) компьютер 1 — типа DTE, скремблер — типа DТE;

б) компьютер 1 — типа DTE, скремблер — типа DCE;

в) компьютер 1 — типа DСE, скремблер — типа DТE;

г) компьютер 1 — типа DСE, скремблер — типа DCE.

Сборник задач по учебному курсу “Синхронизация в телекоммуникационных системах” Замените символы “#”наименованиями сигналов. Структуры прямого и обратного каналов одинаковы. Все ли варианты реализуемы? Если не все, то почему?

Литература: [1], гл. 1 — 3; [4] Решение задачи приведено в разделе 3 на с. Сборник задач по учебному курсу “Синхронизация в телекоммуникационных системах” 2.2.3. На Рис. 2.19, а — д приведены варианты построения системы передачи данных, правильные и неправильные с точки зрения обеспечения синхронизации.

Рассмотрите каждый вариант и оцените его правильность.

24 Сборник задач по учебному курсу “Синхронизация в телекоммуникационных системах” Сборник задач по учебному курсу “Синхронизация в телекоммуникационных системах” 26 Сборник задач по учебному курсу “Синхронизация в телекоммуникационных системах” Сборник задач по учебному курсу “Синхронизация в телекоммуникационных системах” Рис. 2.19. Варианты (а — д) построения системы передачи данных, правильные и неправильные Литература: [1], гл. 1 — 3; [4] Решение задачи приведено в разделе 3 на с. 28 Сборник задач по учебному курсу “Синхронизация в телекоммуникационных системах” 2.2.4. Какой из двух режимов асинхронного порта RS-232 обеспечивает более высокую скорость передачи пользовательских данных:

первый режим: скорость передачи — 38, 4 кбит/с, семибитовый код второй режим: скорость передачи — 38, 4 кбит/с, восьмибитовый код Вычислите фактическую максимальную скорость передачи данных при использовании того и другого режима.

Литература: [1], гл. Решение задачи приведено в разделе 3 на с. 2.2.5. В системе передачи данных, показанной на Рис. 2.20, переместите генераторы G1 и G2 соответственно в устройства DTE1 и DTE3. Приведите в соответствие с внесёнными изменениями направления передачи сигналов и их наименования. Каким образом сигнал синхронизации, обозначенный символом “#”, распространяется против течения потока данных?

Литература: [1], гл. 1 — Решение задачи приведено в разделе 3 на с. Сборник задач по учебному курсу “Синхронизация в телекоммуникационных системах” 2.2.6. Из системы передачи данных, показанной на Рис. 2.21, удалите генератор G1.

Оба направления передачи данных должны синхронизироваться от генератора G2. Приведите в соответствие с внесёнными изменениями направления передачи сигналов и их наименования, если это необходимо. Каким образом сигнал синхронизации, обозначенный символом “#”, распространяется против течения Литература: [1], гл. 1 — Решение задачи приведено в разделе 3 на с. 2.2.7. Из системы передачи данных, показанной на Рис. 2.22, удалите генератор G2.

Оба направления передачи данных должны синхронизироваться от генератора Приведите в соответствие с внесёнными изменениями направления передачи сигналов и их наименования, если это необходимо. Каким образом сигнал синхронизации, обозначенный символом “#”, распространяется против течения потока данных?

30 Сборник задач по учебному курсу “Синхронизация в телекоммуникационных системах” Литература: [1], гл. 1 — 3;

Решение задачи приведено в разделе 3 на с. 2.2.8. В системе передачи данных, показанной на Рис. 2.23, переместите генераторы G1 и G2 соответственно в устройства DTE1 и DTE3. Устройства DCE замените устройствами DTE. Приведите в соответствие с внесёнными изменениями направления передачи сигналов и их наименования. Каким образом сигнал синхронизации, обозначенный символом “#”, распространяется против течения потока данных?

Литература: [1], гл. 1 — Решение задачи приведено в разделе 3 на с. Сборник задач по учебному курсу “Синхронизация в телекоммуникационных системах” 2.2.9. В системе передачи данных, показанной на Рис. 2.24, переместите генераторы G1 и G2 соответственно в устройства DTE1 и DTE3. Затем все устройства DTE замените устройствами DCE. Приведите в соответствие с внесёнными изменениями направления передачи сигналов и их наименования. Каким образом в исходной схеме сигнал синхронизации, обозначенный символом “#”, распространяется против течения потока данных?

Литература: [1], гл. 1 — Решение задачи приведено в разделе 3 на с. 2.2.10. Известно, что восстановление потерянной синхронизации приёмника с передатчиком в асинхронном интерфейсе семейства RS (Рис. 2.25,) при отсутствии пауз между посылками гарантированно достигается в период передачи 7разрядного нулевого кода данных. Если данные случайны, то вероятность обнаружения нулевого кода в любой 9-битовой старт-стоповой посылке равна 1/27. Оцените длину цепи посылок, которая гарантирует установление синхронизации с вероятностью не менее 0,999.

Правильно принятые Неправильно принятые Рис. 2.25. Восстановление правильной синхронизации с обнаружением ошибки Решение задачи приведено в разделе 3 на с. 32 Сборник задач по учебному курсу “Синхронизация в телекоммуникационных системах” 2.3. Способы кодирования данных для их передачи по каналу связи Литература к разделу 2.3: [1], гл. 8, [4] 2.3.1. Введение в раздел 2. Передача информации между достаточно удаленными устройствами требует представления ее в виде последовательного потока битов, характеристики которого зависят от особенностей конкретной системы. Физической основой такой системы является линия связи, которая обычно выполняется в виде витой пары проводов, коаксиального кабеля либо оптического кабеля.

В зависимости от расстояния данные, передаваемые по линии, могут однократно или многократно подвергаться ретрансляции с целью восстановления амплитуды и временных характеристик (Рис. 2.26).

Рис. 2.26. Структура типового последовательного канала связи Алгоритмы работы передатчика, ретранслятора и приемника определяются выбранным кодом, предназначенным для передачи по линии, который называют линейным кодом.

2.3.2. Униполярный код NRZ Простейшим линейным кодом является униполярный код типа NRZ (Non Return to Zero), показанный на Рис. 2.27, а. В этом коде нули представлены отсутствием импульса (напряжение, близкое нулю), а единицы — наличием импульса (некоторое положительное напряжение). Этот код имеет четыре недостатка.

1. Средняя мощность, выделяемая на нагрузочном резисторе R (на рисунке не показан), равна А2/2R, где А — амплитуда импульса напряжения. Число 2 в знаменателе дроби соответствует равновероятному появлению лог. 0 и лог. 1 в потоке данных. Результат неутешительный.

Резистор R рассеивает тепловую энергию в два раза интенсивнее, чем при биполярном кодировании (см. Рис. 2.27, б) при той же амплитуде сигнала, равной А!

2. Униполярные сигналы всегда содержат постоянную составляющую и значительную долю низкочастотных компонентов в спектре при передаче длинных последовательностей единиц. Это препятствует передаче сигналов через трансформаторы или конденсаторы.

3. Ретрансляторы и приемники надежно восстанавливают синхронизирующую временную сетку только тогда, когда паузы между изменениями сигнала не слишком велики. Изменение сигнала после незначительной паузы позволяет всякий раз корректировать “ход часов” ретранслятора или приемника. С увеличением паузы надежность “службы времени” падает.

Например, после передачи серии из 10 тыс. нулей приемник, вероятнее всего, не сможет точно определить, находится ли последующая единица на позиции 9999, 10000 или 10001. То же относится и к передаче длинных цепочек из лог. 1. Другими словами, при передаче достаточно большой последовательности нулей или единиц приемник (или ретранслятор) теряет синхронизацию с передатчиком (или ретранслятором).

Сборник задач по учебному курсу “Синхронизация в телекоммуникационных системах” Рис. 2.27. Наиболее распространенные линейные коды: а — униполярный код NRZ; б — биполярный код NRZ; в — код Манчестер-II; г — код AMI; д — код B3ZS; е — код B6ZS; ж — код HDB3;

затемненными прямоугольниками выделены “заготовки” 4. Отсутствует возможность оперативной регистрации ошибок, таких как пропадание или появление лишних импульсов из-за помех.

2.3.3. Биполярный код NRZ Биполярный сигнал NRZ (Рис. 2.27, б) по сравнению с униполярным обладает лучшими энергетическими характеристиками. Единица представлена положительным уровнем напряжения, нуль — отрицательным. Нагрузочный резистор R в данном случае постоянно рассеивает тепло, так как на нем независимо от передаваемого кода присутствует напряжение А/2 той или иной полярности. Средняя мощность, выделяемая на нагрузочном резисторе, равна (А/2)2/R = А2/4R, т. е. половине средней мощности униполярного сигнала, хотя перепад уровней тот же самый!

Так что первый из отмеченных ранее недостатков униполярного сигнала NRZ в какой-то мере удалось устранить. Остальные три недостатка сохраняются. Для их ликвидации необходимо введение избыточности одним из двух способов:

1) скорость передачи сигналов по линии выбирается большей, чем скорость передачи информации, без использования дополнительных электрических уровней сигналов;

2) скорость передачи сигналов по линии выбирается равной скорости передачи информации, но вводятся дополнительные электрические уровни сигналов.

2.3.4. Код Манчестер-II Примером кода с избыточностью, введенной согласно только что упомянутому первому способу, является код Манчестер-II. Форма биполярного сигнала при передаче кода МанчестерII показана на Рис. 2.27, в. Единица кодируется отрицательным перепадом сигнала в середине битового интервала, нуль — положительным перепадом. На границах битовых интервалов сигнал, если это необходимо, изменяет значение, готовясь к отображению очередного бита в середине следующего битового интервала.

С помощью кода Манчестер-II устраняются сразу все отмеченные ранее недостатки. Поскольку число положительных и отрицательных импульсов на любом достаточно большом отСборник задач по учебному курсу “Синхронизация в телекоммуникационных системах” резке времени равно (отличается не более чем на один импульс, что не имеет значения), постоянная составляющая равна нулю.

Подстройка часов приемника или ретранслятора производится при передаче каждого бита, т. е. уже нет опасности потери синхронизации при передаче длинных цепочек нулей или единиц.

Сигнал содержит только две логические составляющие: F и F/2, где F — скорость передачи информационных битов. Наличие лишь двух (а не трех или более) электрических уровней сигнала позволяет надежно их распознавать (хорошая помехозащищенность).

Критерием ошибки может являться “замораживание” сигнала на одном уровне на время, превышающее время передачи одного информационного бита, поскольку независимо от передаваемого кода сигнал всегда “колеблется” и никогда не “замирает”. Но за эти чрезвычайно полезные качества приходится платить расширением полосы пропускания связной аппаратуры.

Поэтому код Манчестер-II широко используется там, где частотные ограничения не являются определяющими.

2.3.5. Код AMI Второй способ введения избыточности связан с добавлением дополнительных электрических уровней, в простейшем случае — третьего, “нулевого”, уровня.

На Рис. 2.27, г представлена форма сигнала с попеременной инверсией знака, так называемого AMI сигнала (Alternative Mark Inversion). Нули кодируются отсутствием импульсов, а единицы — попеременно положительными и отрицательными импульсами. Постоянная составляющая сигнала AMI равна нулю. Поэтому при передаче длинной последовательности единиц синхронизация не теряется. Обнаруживаются ошибки, нарушающие правильную последовательность знакочередующихся сигналов.

Синхронизация нарушается при передаче длинной последовательности нулей, как и в коде NRZ.

2.3.6. Коды BNZS, HDB Потеря синхронизации при передаче длинной последовательности нулей предотвращается так: цепочки нулей передатчик заменяет определенными “заготовками”, которые представляют собой “отрезки” стандартных временных диаграмм. Коды AMI, в которых цепочка из N нулей заменяется определенной подстановкой, называются BNZS-кодами (Bipolar with N Zeroes Substitution).

В коде B3ZS (Рис. 2.27, д) каждые три последовательных нуля подменяются либо комбинацией B0V, либо 00V. Символ В обозначает импульс, который отвечает правилам кодирования AMI, символ V - импульс, который нарушает правила кодирования AMI (совпадает по полярности с предыдущим).

Выбор одной из этих двух “заготовок” проводится так, чтобы, во-первых, число импульсов В между двумя последовательно расположенными импульсами V было нечетным, и, во-вторых, чтобы полярность импульсов V чередовалась.

В коде B6ZS (Рис. 2.27, е) каждые шесть последовательных нулей подменяются комбинацией 0VB0VB.

Коды BNZS получили широкое распространение в компьютерных сетях США и Канады:

линии Т1 — 1,544 Мбит/с, Т1С — 3,152 Мбит/с, LD-4 — 274,176 Мбит/с, Т4 — 274,176 Мбит/с.

В странах Западной Европы широко используется код HDB3 для работы на скоростях 2, и 8,448 Мбит/с. Этот код очень похож на BNZS, поскольку максимально допустимое число нулей, стоящих в цепочке, равно трем.

Каждые четыре последовательных нуля подменяются комбинацией 000V либо B00V. Выбор той или иной комбинации проводится так, чтобы, во-первых, число импульсов В между Сборник задач по учебному курсу “Синхронизация в телекоммуникационных системах” двумя последовательными импульсами V было нечетным, и, во-вторых, чтобы полярность импульсов V чередовалась (Рис. 2.27, ж).

Существуют также другие распространенные коды, такие как CMI, PST, 4B3T и т. п. Все они являются разновидностями кодов AMI и созданы с целью минимизации требований к полосе пропускания каналов связи и увеличения обнаруживающей способности по отношению к ошибкам при передаче информации.

2.3.7. Трехуровневое кодирование сигнала с гарантированным изменением уровней между соседними битовыми интервалами Как следует из ранее сказанного, для надежного восстановления синхросигнала приемником желательно так закодировать данные, чтобы сигнал в линии изменялся как можно чаще, в идеальном случае — в каждом битовом интервале. Рассмотрим одно из таких решений [1]. Между двумя проводами линии может присутствовать отрицательное, нулевое или положительное напряжение или U = – 1, U = 0, U = +1. Данное решение интересно тем, что созданы гарантии изменения уровня сигнала при переходе от одного битового интервала к другому независимо от вида передаваемой последовательности битов, что подтверждается временной диаграммой, приведенной на Рис. 2.28.

В этой диаграмме встречаются все сочетания соседних битов (00, 01, 10, 11) и их однородные цепочки (1111 и 000). Тем не менее сигнал всегда изменяется при переходе от одного битового интервала к другому. На первый взгляд, неясно, каким образом достигнут столь примечательный результат. Но вскоре мы убедимся, что правила кодирования и декодирования очень просты.

Как следует из Рис. 2.29, передатчик содержит двухразрядный регистр RG1, логическую схему L1 и формирователь S трехуровневого сигнала. Приемник содержит преобразователь R трехуровневого сигнала в двухуровневые (лог. 0, лог. 1), двухразрядный регистр RG2 и логическую схему L2.

В начале очередного битового интервала по фронту синхросигнала CLK в регистре RG фиксируется двухразрядный код, сформированный логической схемой L1 в предыдущем битовом интервале. С незначительной задержкой, достаточной для надежной фиксации кода в регистре RG1, на вход передатчика подается очередной бит DATA. В дальнейшем на протяжении битового интервала на входах логической схемы L1 присутствует результат обработки предыдущего бита (код, отображающий предыдущее состояние передатчика) и очередной бит данных. Логическая схема L1 на основе анализа входной комбинации сигналов формирует двухразрядный код, который определяет новое состояние передатчика. В зависимости от сочетания сигналов на выходе логической схемы L1 формирователь S трехуровневого сигнала выдает в провода линии нулевое, положительное или отрицательное напряжение.

36 Сборник задач по учебному курсу “Синхронизация в телекоммуникационных системах” Переходы передатчика между тремя возможными состояниями можно проследить по диаграмме, приведенной на Рис. 2.30.

Передатчик может находиться в трех состояниях, выделенных кружками. Эти состояния обозначены в соответствии с принятыми ранее сокращениями (см. Рис. 2.28).

Стрелками обозначены переходы из одного состояния в другое. Цифра 0 или 1 около стрелки соответствует значению очередного бита DATA. Из рисунка следует, что при передаче цепочки битов 111...1 траектория переходов по диаграмме соответствует движению по часовой стрелке, а при передаче цепочки 000...0 — движению в обратном направлении. Передача случайных данных сопровождается “блужданием” между тремя состояниями. Существенно, что не бывает ситуаций, при которых одно и то же состояние повторяется в соседних тактах.

Преобразователь R трехуровневого сигнала в двухуровневые (см. Рис. 2.29) формирует двухразрядный код текущего состояния сигнала в линии и выделяет синхросигнал на основе регистрации фронтов импульсов. В начале очередного битового интервала в регистре RG2 фиксируется предыдущее состояние линии, так что логическая схема L2 оперирует предыдущим и текущим состояниями трехуровневого сигнала. В зависимости от их комбинации можно сделать однозначный вывод о том, какой бит (лог. 0 или лог. 1) поступил на вход приемника.

Декодирование сигналов в приемнике поясняется той же диаграммой, что и предыдущая, но с несколько иной интерпретацией событий (Рис. 2.31).

Предположим, что ранее принятое и текущее состояния трехуровневого сигнала соответствуют показанным на рисунке. Непосредственный переход между этими состояниями возможен только по одному пути, который соответствует приему единичного бита. Поэтому на выходе логической схемы L2 формируется сигнал DATA’ = 1.

Особенность этой схемы кодирования — декодирования состоит в том, что при передаче цепочки битов вида 010101... все импульсы будут иметь одинаковую полярность, зависящую от предыстории. Это означает, что в сигнале появится постоянная составляющая, что для многих систем недопустимо. Чтобы избежать этого, можно применить скремблирование данных на входе передатчика и их дескремблирование на выходе приемника. Напомним, что применение этих операций позволяет получить псевдослучайный поток битов, в котором устранены нежелательные закономерности их чередования [4].

Сборник задач по учебному курсу “Синхронизация в телекоммуникационных системах” 2.4. Вопросы и задачи к разделу 2. 2.4.1. Покажите, что биполярное кодирование энергетически более выгодно по сравнению с однополярным. Каков выигрыш в мощности, требуемой для передачи Решение задачи приведено в разделе 3 на с. 2.4.2. На Рис. 2.32, а показан сигнал “Манчестер-II”, на Рис. 2.32, б — д — варианты его разделения на битовые интервалы. Какой вариант правильный? Обоснуйте свой выбор. Напишите последовательность передаваемых битов.

Рис. 2.32. Сигнал “Манчестер-II” (а) и предполагаемые варианты (б — д) Решение задачи приведено в разделе 3 на с. 2.4.3. На Рис. 2.33 показан сигнал “Манчестер-II”, содержащий ошибку. Покажите её положение. Напишите последовательность передаваемых битов.

Решение задачи приведено в разделе 3 на с. 2.4.4. Начертите временную диаграмму сигнала B6ZS, соответствующего передаче последовательности …000000110000001100000011000000110….

Решение задачи приведено в разделе 3 на с. 2.4.5. Начертите временные диаграммы сигналов B3ZS и B6ZS, соответствующих передаче длинной цепочки лог. 0.

Для определённости предполагаем, что предыстория сигнала завершается положительным импульсом V.

Решение задачи приведено в разделе 3 на с. Сборник задач по учебному курсу “Синхронизация в телекоммуникационных системах” 2.4.6. Начертите временную диаграмму сигнала B3ZS, соответствующего передаче последовательности 1000100010001000100010001000…. Для определённости предполагаем, что предыстория сигнала завершается отрицательным импульсом V.

Решение задачи приведено в разделе 3 на с. 2.4.7. Начертите временную диаграмму сигнала B3ZS, соответствующего передаче последовательности 11000110001100011000110001100011000…. Для определённости предполагаем, что предыстория сигнала завершается отрицательным импульсом V.

Решение задачи приведено в разделе 3 на с. 2.4.8. Начертите временную диаграмму сигнала HDB3, соответствующего передаче длинной цепочки лог. 0. Для определённости предполагаем, что предыстория сигнала завершается положительным импульсом V.

Решение задачи приведено в разделе 3 на с. 2.4.9. Начертите временную диаграмму сигнала HDB3, соответствующего передаче последовательности 10000100001000010000100001000010000…. Для определённости предполагаем, что предыстория сигнала завершается отрицательным импульсом V.

Решение задачи приведено в разделе 3 на с. 2.4.10. Начертите временную диаграмму сигнала HDB3, соответствующего передаче последовательности 11000011000011000011000011000011000011000…. Для определённости предполагаем, что предыстория сигнала завершается отрицательным импульсом V.

Решение задачи приведено в разделе 3 на с. 2.4.11. Начертите временную диаграмму сигнала B6ZS, соответствующего передаче последовательности …000000100000010000001000000….

Решение задачи приведено в разделе 3 на с. 2.4.12. Пользуясь правилами кодирования, описанными в п. 2.3.7, начертите временную диаграмму сигнала, соответствующего передаче последовательности …1011011100111000…. Однозначно ли предполагаемое решение задачи?

Решение задачи приведено в разделе 3 на с. Сборник задач по учебному курсу “Синхронизация в телекоммуникационных системах” 2.5. Вероятностная синхронизация Литература к разделу 2.5: [4, 5] 2.5.1. Введение в раздел 2. Вероятностная синхронизация в телекоммуникационных системах позволяет уменьшить долю служебных битов в потоках данных Термин “вероятностная синхронизация” (“стохастическая синхронизация”) используется в технике при описании некоторых процессов, протекающих в сложных системах. В данном случае этот термин отражает смысл предлагаемой идеи, которая состоит в том, что удалённые друг от друга телекоммуникационные устройства, например мультиплексоры, взаимно координируют свои действия в результате одновременной реакции на некоторые случайные события, являющиеся “побочными продуктами” передачи потока скремблированных данных.

Скремблирование — это шифрация потока данных, после которой он выглядит как поток случайных битов. Последовательности битов в исходном массиве данных, как регулярные, так и нерегулярные, обратимо разрушаются, так что вероятности появления логической единицы и логического нуля в каждой последующей битовой позиции скремблированного потока одинаковы и не зависят от предыстории. Известно, что применительно к телекоммуникационным системам скремблирование повышает надёжность битовой синхронизации между устройствами, подключенными к противоположным сторонам канала связи, и уменьшает уровень помех, излучаемых на соседние линии многожильного кабеля [4].

Проведенное автором исследование ранее не рассмотренных в литературе функциональных возможностей систем со скремблированием данных показало, что в результате некоторого усовершенствования таких систем достигается весьма полезное свойство самосинхронизации примника с передатчиком на уровне распознавания информационных кадров или иных структурных единиц. Полезность состоит в уменьшении доли служебных битов в потоках данных.

В передаваемом по каналу связи скремблированном потоке данных с некоторой средней периодичностью можно обнаруживать любые заранее заданные сочетания битов. Так, при однократной выборке 30-разрядного кода из проходящего потока данных вероятность его совпадения с 30-разрядным эталоном составит 2–30 10–9. При скорости потока 10 Гбит/с средняя частота событий одновременного (с точностью до задержки передачи) обнаружения заданного кода на разных сторонах канала связи составляет 10 Гц. Это означает, что передатчик и приёмник со средней периодичностью 10 Гц одновременно получают некие метки времени, которые самопроизвольно порождаются “полезными” или иными произвольными данными, а не создаются, как это делается в настоящее время, введением в поток служебной синхронизирующей информации, например, последовательностей флаговых кодов.

В рамках дисциплины “Синхронизация в телекоммуникационных системах” рассмотрены примеры применения идеи вероятностной синхронизации для решения следующих задач.

1. Синхронизация системы “скремблер — дескремблер”. Для предотвращения размножения ошибок, возникающих в канале связи, и защиты от неблагоприятных кодовых ситуаций в таких системах используют логически изолированные от линии генераторы псевдослучайных последовательностей битов. При этом в существующих системах для синхронизации работы этих генераторов используют служебные информационные кадры, что снижает скорость передачи полезных данных. Применение вероятностной синхронизации позволяет сохранить все преимущества системы “скремблер — дескремблер” с изолированными генераторами псевдослучайных последовательностей битов и повысить пропускную способность канала связи. Последнее достигается исключением служебных кадров и программных средств установления и поддержания синхронизации между скремблером и дескремблером [4].

2. Вставка команд в поток данных. Задача заключается в распознавании на дальней стороне канала связи команд, вставленных передатчиком в поток данных. В существующих системах Сборник задач по учебному курсу “Синхронизация в телекоммуникационных системах” для маркировки команд используется служебная информация, полученная в результате применения к массиву исходных данных операций битстаффинга или байтстаффинга. Использование вероятностной синхронизации позволяет исключить из потока данных служебную информацию и вставлять команды в случайные моменты обнаружения заданных кодов в скремблированном потоке данных [5].

3. Разграничение байтов в битовом потоке данных. Для разграничения байтов обычно используются служебные коды, например, флаги начала кадров в стандарте Е1. Применение вероятностной синхронизации позволяет устанавливать и всякий раз при обнаружении в скремблированном потоке заданных кодов пересматривать временные границы между байтами или иными структурными единицами. События обнаружения заданных кодов следуют сравнительно редко (например, с частотой 10 Гц), поэтому потери (составляющие в среднем 3,5 бита при каждом согласовании временных сеток передатчика и приёмника) составляют пренебрежимо малую часть общего потока данных, передаваемых по каналу связи. При скорости передачи данных 10 Гбит/c избыточность составляет 3,5 бита на 109 бит [7].

4. Разграничение каналов в мультиплексированном потоке данных. В двухканальной системе “мультиплексор — демультиплексор”, предназначенной для объединения — разделения потоков данных при их передаче по линии связи, как и в ранее упомянутых здесь системах, применение вероятностной синхронизации позволяет сократить число избыточных битов до пренебрежимо малого уровня, исключить программные средства поддержки синхронизации и уменьшить время её восстановления в случае потери [8].

5. Ускорение передачи информационных кадров. В системе передачи данных с попутной синхронизацией (линии TxD — CLK) по линии TxD предлагается передавать информационные кадры “стык-в-стык” без использования каких-либо разделительных служебных битов. При этом по линии CLK помимо сигналов битовой синхронизации дополнительно передаются как полезные данные, так и коды, позволяющие приёмнику отыскать границы между информационными кадрами. Эти коды формируются в случайные моменты обнаружения в линии TxD заранее заданных последовательностей битов [9].

Сборник задач по учебному курсу “Синхронизация в телекоммуникационных системах” 2.6. Вопросы и задачи к разделу 2. 2.6.1. В системе передачи данных, показанной на Рис. 2.34, применена вероятностная синхронизация. Определите скорость передачи командных битов при следующих условиях:

• скорость передачи битов по линии связи равна 1 Гбит/с;

• каждая командная вставка содержит 4 бита;

• разрядность регистров RG1 … RG4 — 20 бит;

• число кодов, анализируемых дешифраторами, — 3.

Решение задачи приведено в разделе 3 на с. 2.6.2. В системе передачи данных (Рис. 2.35) применена вероятностная синхронизация. Скремблер и дескремблер выполнены по схеме с изолированными генераторами псевдослучайных последовательностей битов. Скорость передачи данных — 10 Гбит/с, разрядность синхронизирующего кода — 30 бит.

Вычислите среднее время между импульсами вероятностной Рис. 2.35. Система передачи данных с вероятностной синхронизацией Литература: [4] Решение задачи приведено в разделе 3 на с. Сборник задач по учебному курсу “Синхронизация в телекоммуникационных системах” 2.7. Передача данных по фантомным цепям каналов связи Литература к разделу 2.7: [6] 2.7.1. Введение в раздел 2. Известно, что кабельные линии связи, содержащие группу витых пар медных проводов, обладают некоторыми “скрытыми возможностями”. Они заключаются в том, что помимо использования витых пар по прямому назначению (для передачи данных) каждая из них может рассматриваться как отдельный провод. Совокупность таких проводов позволяет без дополнительного увеличения числа жил кабеля сформировать дополнительные (фантомные) каналы связи или (и) цепи питания удалённых устройств. Основные идеи построения фантомных каналов и цепей предложены более 30 лет назад и, по существу, с тех пор мало изменились. Тем не менее, рассмотренные здесь новые решения могут оказаться полезными при проектировании систем передачи данных. В частности, это относится к использованию общей кабельной инфраструктуры для построения офисной телефонной сети и сети Ethernet 10 Base T.

Рабочие места сотрудников некоторого офиса, расположенного в одном здании, обычно оснащаются индивидуальными компьютерами, объединёнными локальной сетью, и телефонными аппаратами, аналоговыми или цифровыми. Телефонные аппараты с помощью двухпроводных линий связи соединяются с офисной АТС (Рис. 2.36, а), которая имеет несколько выходов в городскую телефонную сеть (эти выходы на рисунке не показаны).

Рис. 2.36. Структуры связей офисной телефонной сети (а) и локальной сети Ethernet 10 Base T (б) Каждый компьютер (Рис. 2.36, б) соединяется с концентратором (hub) локальной сети Ethernet 10 Base T с помощью двух витых пар проводов. По каждой паре данные передаются в одну сторону. Как видно из рисунка, структуры связей офисной телефонной сети и локальной сети топологически схожи. Поэтому целесообразно использовать одни и те же витые пары проводов как для построения локальной сети, так и для связи офисной АТС с телефонными аппаратами на рабочих местах.

Одно из решений задачи построения общей кабельной инфраструктуры основано на частотном разделении сигналов локальной сети и сигналов офисной АТС (Рис. 2.37). Каждое рабочее место содержит компьютер и телефонный аппарат. Телефонный аппарат подключается к офисной АТС через фильтры низких частот и линию связи, выполненную в виде витой пары проводов. Верхняя граница спектра передаваемых сигналов при работе с аналоговыми телефонными аппаратами не превышает нескольких килогерц.

Эта же линия связи предназначена для дуплексной передачи сигналов между модемами.

Спектр модемных сигналов занимает полосу от десятков килогерц до десятков мегагерц. Благодаря фильтрам сигналы разделяются по соответствующим направлениям и не взаимодействуют между собой.

Такой способ совмещения сигналов требует применения пары модемов для каждой линии связи, что может оказаться экономически невыгодным. Более простой вариант совмещения Сборник задач по учебному курсу “Синхронизация в телекоммуникационных системах” сигналов концентратора локальной сети с сигналами офисной АТС основан на применении фантомных цепей (Рис. 2.38).

Концентратор Рис. 2.37. Частотное разделение сигналов концентратора локальной сети Рис. 2.38. Использование фантомной цепи для совмещения передачи сигналов концентратора локальной сети с сигналами офисной АТС (первый вариант): а — функциональная схема;

2.7.2. Основная идея совмещения передачи сигналов В схеме, показанной на Рис. 2.38, передача данных между концентратором и компьютером осуществляется по двум витым парам проводов через блоки трансформаторов. По каждой Сборник задач по учебному курсу “Синхронизация в телекоммуникационных системах” витой паре данные передаются в одну сторону. Одновременно с этим офисная АТС взаимодействует с телефонным аппаратом, цифровым или аналоговым в зависимости от типа АТС. При таком взаимодействии каждая витая пара выполняет функцию отдельного провода, соединяющего АТС с телефонным аппаратом. Поясним сказанное с использованием эквивалентной схемы, приведенной на Рис. 2.38, б.

В эквивалентной схеме офисная АТС представлена генератором напряжения U и резистором R1; телефонный аппарат заменён резистором R2. Ток i от положительного полюса генератора напряжения U1 протекает через резистор R1 в среднюю точку обмотки трансформатора TR1 и растекается на два одинаковых, но противоположных по направлению тока i/2. Магнитные поля от этих токов взаимно уничтожаются в сердечнике трансформатора TR1, поэтому его подмагничивания не происходит.

Далее оба тока i/2 текут по нижней линии связи (как по единому проводу) к трансформатору TR2, проходят через половины его обмоток в противоположных направлениях и суммируются в средней точке. Суммарный ток протекает через нагрузочный резистор R2 и создаёт на нём падение напряжения (принимаемый сигнал). Далее ток протекает через трансформаторы TR3 и TR4 и возвращается к отрицательному полюсу источника напряжения U. Таким образом, офисная АТС “не мешает” передаче сигналов между концентратором и компьютером.

В рассмотренной схеме (Рис. 2.38) для взаимодействия офисной АТС с N телефонными аппаратами необходимы 2N витых пар проводов. Применение схемы, показанной на Рис. 2.39, позволяет уменьшить это число до N + 1. Уменьшение достигнуто благодаря применению “общего провода”, частью которого является верхняя линия связи 1.

Рис. 2.39. Использование фантомных цепей для совмещения передачи сигналов концентратора локальной сети с сигналами офисной АТС (второй вариант) 46 Сборник задач по учебному курсу “Синхронизация в телекоммуникационных системах” 2.7.3. Варианты конструктивных решений Вернёмся к схеме, показанной на Рис. 2.38, а, и рассмотрим некоторые варианты конструктивного выполнения её составных частей. Блоки трансформаторов могут представлять собой конструктивно-законченные устройства либо входить в состав одного из устройств — концентратора, офисной АТС, компьютера или телефонного аппарата.

Блок трансформаторов 2 (Рис. 2.38, а) может быть размещён в сетевой карте компьютера (Рис. 2.40). В этом случае на корпусе сетевой карты дополнительно устанавливается розетка для подключения кабеля (шнура) телефонного аппарата. Аналогично блок трансформаторов можно разместить в телефонном аппарате (Рис. 2.41). Тогда на корпусе телефонного аппарата устанавливается дополнительная розетка для подключения кабеля сетевой карты компьютера.

Блок трансформаторов 2 (Рис. 2.38, а) можно разместить в настенной коробке, содержащей две розетки, как показано на Рис. 2.42. Первая розетка предназначена для подключения кабеля телефонного аппарата, вторая — для подключения кабеля сетевой карты компьютера.

Рис. 2.40. Размещение блока трансформаторов 2 (Рис. 2.38, а) в сетевой карте компьютера Рис. 2.41. Размещение блока трансформаторов 2 (Рис. 2.38, а) в телефонном аппарате Сборник задач по учебному курсу “Синхронизация в телекоммуникационных системах” Рис. 2.42. Размещение блока трансформаторов 2 (Рис. 2.38, а) в настенной коробке Чтобы не вводить изменения в существующую разводку связей локальной сети, можно воспользоваться схемой, показанной на Рис. 2.43. Блок трансформаторов 2 (Рис. 2.38, а) в данном случае размещается в вилке-тройнике, содержащем две розетки для подключения кабеля телефонного аппарата и кабеля сетевой карты компьютера.

Рис. 2.43. Размещение блока трансформаторов 2 (Рис. 2.38, а) в вилке-тройнике В асимметричной системе передачи (ADSL), показанной на Рис. 2.44, суммарная скорость нисходящих потоков данных превышает скорость восходящего потока. Нисходящие потоки в явном виде передаются по витым парам. Для передачи данных в обратном направлении используется фантомная цепь.

2.7.4. Развитие идеи совмещения сигналов Скорость передачи восходящего потока данных может несколько превышать скорость каждого из нисходящих потоков. Напомним, что в фантомной цепи оба провода витой пары рассматриваются как единый провод с удвоенным сечением жилы, а чем толще жила, тем больше дальность связи или допустимая скорость передачи. Кроме того, погонная ёмкость между проводами (витыми парами) фантомной линии меньшая, чем погонная ёмкость между проводами витой пары, что также благоприятно отражается на характеристиках линии.

48 Сборник задач по учебному курсу “Синхронизация в телекоммуникационных системах” Рис. 2.44. Применение фантомной цепи в асимметричной системе передачи данных (ADSL) В схеме, показанной на Рис. 2.45, имеются два телекоммуникационных устройства А и В, между которыми передаются четыре потока данных. Первый и второй потоки данных в явном виде передаются по двум витым парам проводов в соответствующих направлениях. Третий и четвёртый потоки в дуплексном режиме передаются по фантомной цепи. Постоянное напряжение U1 от источника питания через эту же фантомную цепь поступает в устройство В в виде напряжения U2.

Рис. 2.45. Применение фантомной цепи для передачи данных и В заключение отметим, что задача совмещения передачи обычных цифровых и “голосовых” данных решается разными способами. В глобальных сетях широко применяется технология VoIP (Voice-Over-Internet-Protocol). Согласно этой технологии звуковые сигналы от микрофона телефонного аппарата усиливаются, преобразуются из аналоговой формы в цифровую, сжимаются, помещаются в информационные пакеты данных, маршрутизируются и передаются абоненту, где происходит их обратное преобразование. Применительно к локальным сетям такое решение сложно и дорого; кроме того, качество передачи звукового сигнала зависит от трафика и при больших нагрузках на сеть может снижаться.

Кабельная инфраструктура локальной сети позволяет наряду с данными одновременно передавать по ней сигналы офисной АТС (или иные) без применения преобразований, подобСборник задач по учебному курсу “Синхронизация в телекоммуникационных системах” ных принятым в технологии VoIP. Задача построения дополнительных каналов связи решается на аппаратном уровне — либо с применением частотного разделения сигналов (Рис. 2.37), либо с использованием фантомных цепей, что более экономично.

Фантомные цепи обеспечивают повышенную дальность связи (или повышенную скорость передачи) благодаря удвоенному сечению жилы медного проводника (витая пара рассматривается как единый провод) и меньшей погонной ёмкости между витыми парами, чем между проводами витой пары. При этом несколько снижается защищённость фантомного канала связи от действия внешних помех (емкостных, индуктивных, электромагнитных) и низкочастотных магнитных полей. При построении фантомного канала следует уделять внимание симметрии входящих в него цепей и элементов. Так, витые пары канала должны иметь одинаковую длину, применяемые трансформаторы должны обладать близкими параметрами и т. п.

50 Сборник задач по учебному курсу “Синхронизация в телекоммуникационных системах” 2.8. Вопросы и задачи к разделу 2. 2.8.1. Фрагмент локальной сети Ethernet 10 Base T, показанный на Рис. 2.46, позволяет использовать одну и ту же проводную инфраструктуру как для обмена данными между компьютерами и концентратором, так и для связи офисной АТС с телефонными аппаратами.

Чем ограничивается длина линий связи в этом фрагменте (ограничениями, связанными с правилами проектирования сети Ethernet 10 Base T, пренебрегаем)?

Литература: [6] Решение задачи приведено в разделе 3 на с. Рис. 2.46. Использование фантомных цепей для совмещения передачи сигналов концентратора локальной сети Ethernet 10 Base T с сигналами офисной АТС Сборник задач по учебному курсу “Синхронизация в телекоммуникационных системах” 2.9. BER-тестеры Литература к разделу 2.9: [1], гл. 8; [4] 2.9.1. Введение в раздел 2. Как показано на Рис. 2.47, для тестирования цепей RxC и RхD использованы генератор и анализатор псевдослучайных последовательностей битов. По существу, генератор и анализатор представляют собой скремблер и дескремблер [4], причем скремблируется сигнал “Постоянный нуль”, т. е. последовательность нулевых битов. В отсутствие ошибок передачи сигналов RxC и RxD сигнал на выходе триггера TT также должен быть нулевым.

DCE DTE

Рис. 2.47. Система контроля передачи данных и синхросигнала между Под управлением сигнала RxC с генератора G в линию RxD из регистра А поступает псевдослучайная последовательность битов Рис. 2.48. Положительные фронты сигнала RxC задают границы битовых интервалов сигнала RxD.

Положительные фронты инвертированного сигнала RxC задают смещенную на половину такта синхросетку приема данных в регистр В и в D-триггер ТТ. Такты работы генератора псевдослучайной последовательности битов обозначены символами Т1 с соответствующими индексами в скобках (например Т1(L + 4)). Аналогично такты работы анализатора обозначены символами Т2.

В тактах T1(J) … T1(J + 3) состояние регистра А изменяется в такой последовательности:

S(J), S(J + 1), S(J + 2), S(J + 3). Соответствующие биты выходных данных: D(J), D(J + 1), D(J + 2), D(J + 3). Как отмечалось при описании системы “скремблер — дескремблер”, в установившемся режиме при отсутствии ошибок содержимое передающего и приемного регистров (в данном случае, регистров А и В) одинаково. Поэтому, как показано на временных диаграммах, коды в регистре В совпадают с кодами в регистре А с учетом взаимного смещения синхросеток на половину такта.