Учебное пособие по интерфейсам систем промышленной автоматизации, страница 17

При непосредственном кодировании, например, уровень напряжения0 В представляет логический «0», а +10 В – логическую «1» (рис. 3.5). Возможноиспользование обратной кодировки – при «0» линия находится под высоким напряжением, а «1» соответствует низкий уровень напряжения. Широко используется полярное кодирование – сигналы, соответствующие «0» и «1» имеют противоположные знаки по отношению к общей базе (например, логическому нулю соответствует +10 В, а логической единице соответствует –10 В). Прямое, обратноеи полярное кодирования называются кодированием без возвращения к нулю (NonReturn to Zero – NRZ), так как в нём отсутствует обязательный переход к нулевому уровню. Последовательность единиц будет поддерживать линию при постоянном высоком или низком потенциале в соответствии с принятой схемой кодирования.U01011000t5.Рис. 3.5.

Прямое двоичное кодирование без возвращения к нулюМетод кодирования без возвращения к нулю прост, но чувствителен к помехам и искажениям. Вдобавок, при непосредственном применении NRZкодирования возникает ещё одна существенная проблема. Приёмник не можетразличить, где начинается и кончается каждый отдельный бит. Иными словами,чистое NRZ-кодирование не позволяет отличить отсутствие сообщения от последовательности несущих информацию единиц. Кроме того, непосредственно попринимаемому сигналу приёмник не может определить ширину битового интервала и, соответственно, скорость передачи.

Возможное решение – предварять ка83ждое сообщение специальной преамбулой – последовательностью чередующихсянулей и единиц, обеспечивающих синхронизацию передатчика и приёмника. Однако при этом остается риск потери синхронизации в процессе передачи данных иих неправильной интерпретации. Наконец, если все импульсы имеют одинаковуюполярность, распределённая ёмкость линии ведёт к накоплению постоянногоэлектрического потенциала.Все указанные проблемы решаются при кодировании с возвращением к нулю(Return to Zero – RZ) (рис.

3.6). В этом случае исходные данные комбинируются ссигналом синхронизации. Как и при прямом кодировании, здесь также определены два уровня потенциала, один из которых соответствует логическому нулю, авторой – логической единице. Каждый бит начинается с определённого для егозначения уровня потенциала, а в середине каждого битового интервала осуществляется переход на нулевой уровень; фронт перехода используется для синхронизации приёмника. При другом типе RZ-кодирования применяются сигналы разнойполярности (рис.

3.7). RZ-кодирование требует в два раза более широкой полосы,чем NRZ-кодирование, и соответствующая электроника интерфейсных устройствгораздо сложнее, однако достоинства метода отодвигают эти недостатки на задний план.U01011000t6.Рис. 3.6. Прямое двоичное кодирование с возвращением к нулюU01011000t7.Рис. 3.7. Трехуровневое кодирование с возвращением к нулюДругой широко применяемый способ – это манчестерское или двухфазноекодирование (Bi-phase Level – BiФ-L). При манчестерском кодировании каждыйбит кодируется двумя уровнями напряжения с переходом в середине каждого би84тового интервала.

При прямом манчестерском кодировании бит «0» представляется переходом от уровня низкого напряжения к высокому, а бит «1» – переходомот высокого уровня к низкому (рис. 3.8). Похожая схема используется при дифференциальном манчестерском кодировании, при котором бит «0» представляетсяпереходом уровня в начале каждого нового битового интервала, а бит «1» – отсутствием такого перехода (рис. 3.9).

В середине битового интервала переходосуществляется всегда.Манчестерское и дифференциальное манчестерское кодирования являютсясамосинхронизирующимися (т.е. позволяют приёмнику настроится на скоростьпередатчика без специальных синхросигналов) и имеют более высокую защиту отшума по сравнению с RZ-кодированием. Как и для кодирования с возвращением кнулю манчестерские схемы требуют в два раза более широкой полосы пропускания, чем NRZ-кодирование.

Преимущество манчестерского кодирования в том,что оно использует два уровня напряжения вместо трёх и соответствующая аппаратура проще, чем при RZ-кодировании.U01011000t8.Рис. 3.8. Прямое манчестерское кодированиеU01011000t9.Рис. 3.9. Дифференциальное манчестерское кодированиеВажная характеристика манчестерского кода — отсутствие у сигнала постоянной составляющей при передаче длинной последовательности единиц или нулей. Благодаря этому передатчики и приёмники можно «развязать» гальваническис помощью импульсных трансформаторов. Спектр сигнала при манчестерскомкодировании содержит только две частотные составляющие.

Например, для передачи на скорости 10 Мбит/с, это 10 МГц при передаче последовательности одних85нулей или единиц и 5 МГц при их чередовании. Поэтому все другие частотыможно удалить с помощью полосовых фильтров.Манчестерское кодирование широко применяется в локальных сетях, например в Ethernet.Передача данных методом модуляции несущейМодуляция несущей (carrier modulation) используется для согласования информационного сигнала с линией, по которой он передаётся. Модуляция представляет собой изменение некоторых параметров (амплитуды, частоты, фазы) высокочастотной несущей в зависимости от исходного информационного сигнала; вкачестве несущей используется высокочастотный синусоидальный или импульсный сигнал. Приёмник выделяет исходный сигнал из модулированного.Амплитудная модуляция редко используется при передаче цифровых данных.

Более распространены частотная и фазовая модуляция. При применении каждого из видов модуляции соответствующий параметр несущей изменяется какфункция входного сигнала. При амплитудной модуляции каждый уровень напряжения исходного сигнала соответствует определённой амплитуде несущей, причастотной модуляции – частоте в определённом диапазоне, а при фазовой – определённому фазовому сдвигу несущего сигнала.СинхронизацияДля правильной обработки сообщений необходимо, чтобы передатчик и приёмник были синхронизированы, т.е.

приёмник, принимая сигнал из линии, должен«знать» где располагаются границы битовых интервалов, чтобы правильно декодировать информацию. Синхронизирующий сигнал передаётся либо по специальному проводу, либо вместе с передаваемой цифровой информацией, как, например, при RZ- или манчестерском кодировании, в которых изменение сигнала в середине каждого битового интервала представляет собой синхронизирующий сигнал. В первом случае требуется дополнительный провод, во втором – дополнительная полоса пропускания.Передача может осуществляться и без сигналов синхронизации. Такая передача называется асинхронной.

При асинхронной передаче приёмник должен заранее знать все параметры связи – в первую очередь, скорость – для того, чтобыправильно идентифицировать поступающие сигналы. Более того, приёмник должен различать границы между отдельными битами и соответственно настраиватьсвой отсчёт времени.86Асинхронная передача данныхПри асинхронной передаче каждому байту предшествует старт-бит, сигнализирующий приёмнику о начале посылки, за которым следуют биты данных и,возможно, бит паритета ( бит чётности, parity – чётность). Завершает посылкустоп-бит, гарантирующий паузу между посылками (рис. 3.10).

Старт-бит следующего байта посылается в любой момент после стоп-бита, то есть между передачами возможны паузы произвольной длительности. Старт-бит, имеющий всегдастрого определённое значение (логический 0), обеспечивает простой механизмсинхронизации приёмника по сигналу от передатчика. Подразумевается, что приёмник и передатчик работают на одной скорости обмена. Внутренний генераторсинхронизации приёмника использует счётчик-делитель опорной частоты, обнуляемый в момент приёма начала старт-бита.

Этот счётчик генерирует внутренниестробы, по которым приёмник фиксирует последующие принимаемые биты. Видеале стробы располагаются в середине битовых интервалов, что позволяет принимать данные и при незначительном рассогласовании скоростей приёмника ипередатчика [16].10.Рис.

3.10. Формат асинхронной передачиОчевидно, что при передаче восьми бит данных, одного контрольного и одного стоп-бита предельно допустимое рассогласование скоростей, при которомданные будут распознаны верно, не может превышать 5%. С учетом фазовых искажений и дискретности работы внутреннего счётчика синхронизации реальнодопустимо меньшее отклонение частот. Чем меньше коэффициент деления опорной частоты внутреннего генератора (чем выше частота передачи), тем большепогрешность привязки стробов к середине битового интервала, и требования к согласованности частот становятся более строгими. Чем выше частота передачи,тем больше влияние искажений фронтов на фазу принимаемого сигнала.

Взаимодействие этих факторов приводит к повышению требований к согласованностичастот приёмника и передатчика с ростом частоты обмена.87Для асинхронного режима принят ряд стандартных скоростей обмена: 50,75, 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19 200, 38 400, 57 600 и 115 200бит/с.

Иногда вместо единицы измерения "бит/с" используют "бод" (baud).Количество бит данных может составлять 5, 6, 7 или 8 (5- и 6-битные форматы распространены незначительно).Количество стоп-бит может быть 1, 1,5 или 2 («полтора бита» означает только длительность стопового интервала).Бит чётности дополняет количество единичных бит данных до чётного илидо нечётного в зависимости от принятого соглашения.Количество бит данных, длительность стоп-бита, наличие и способ обработки бита чётности – настраиваемые параметры асинхронной передачи.Посимвольную передачу просто реализовать благодаря существованию специальной микросхемы – универсального асинхронного приёмопередатчика (Universal Asynchronous Receiver Transmitter – UART).