Цифровые коммуникации в управлении процессами (стр. 2 )

Соотношение между шириной полосы пропускания электрического канала W [Гц] и максимальной скоростью передачи данных Rmax [бит/с] было установлено американским исследователем шведского происхождения Гарри Найквистом (Harry Nyqvist) в 1924 году. Б соотношении Найквиста важную роль играет метод кодиро­вания сигнала, определяющий его способность переносить информацию. При V уровнях сигнала можно передать Iog2V бит, а полная пропускная способность канала

Rmах = 2W lоg2V (9.2)

Это соотношение аналогично тому, которое применяется при дискретизации и восстановлении сигнала (раздел 5.1). Достаточную информацию о сигнале с полосой пропускания можно получить при частоте выборки 2 W. Более высокая частота вы­борки ничего не прибавляет к информации, необходимой для восстановления сигна­ла. Здесь возникает проблема предельного значения; на практике, для того чтобы уп­ростить восстановление сигнала, частота выборки принимается несколько выше частоты Найквиста.

В технической литературе иногда путают понятия пропускной способности и по-­
лосы пропускания канала, поскольку один и тот же термин — bandwidth — использу­-
ется для двух разных вещей. Пропускная способность - общее понятие, применимое
к любому виду канала и типу связи и не ограниченное конкретным типом физическо­-
го носителя. С другой стороны, полоса пропускания канала относится только к час-­
тотному диапазону, в котором электромагнитные сигналы передаются с определен­
ным максимальным затуханием. Само по себе понятие полосы пропускания ничего
не говорит о пропускной способности канала.

При передаче двоичных данных V = 2 и логарифмический сомножитель выраже­ния (9.2) равен единице. Отсюда вытекает распространенное заблуждение, что про­пускная способность канала в бит/с равна удвоенной полосе пропускания в Гц. В со­ответствии с выражением (9.1) не существует ограничения на количество информации, которое способен передать канал, при условии, что используется доста­точно большое число символов.

Важным фактором, отрицательно влияющим на связь, являются помехи (шум). Помехи - это неизбежная реальность окружающего мира и неотъемлемое свойство канала связи. В электромагнитном канале помехи связаны со случайным тепловым движением электронов, а их влияние пропорционально полосе пропускания канала. Помехи могут возникать в электрическом проводнике и под воздействием окружаю­щей среды, при этом проводник ведет себя как приемная антенна. Шумы в линии рассматриваются относительно уровня мощности передаваемых сигналов. Шум может вносить пренебрежимо малые искажения, однако если его уровень мощности слишком велик по отношению к уровню мощности исходного сигнала, то последний может быть искажен до такой степени, что сообщение потеряет первоначальный смысл. Приемник может неправильно расшифровать сообщение и выполнить не то действие, которое предусматривалось передатчиком. Если для кодирования симво­лов используется много близких уровней напряжения, то символы становится труд­но выделить и однозначно идентифицировать. Небольшой всплеск напряжения на пинии, вызванный шумом, может быть ошибочно воспринят как сигнал другого уровня, соответствующий другому символу. Поэтому защита от шума и восстановле­ние искаженных данных являются важными проблемами связи. При выборе пара­метров каналов связи шум является одним из факторов, определяющим большин­ство принимаемых компромиссов. В принципе, шум можно устранить, но ценой больших затрат; на практике существуют способы борьбы с шумом, позволяющие довести его до безопасного уровня.

Проблемы связи в условиях шума изучались американским математиком Клодом Шенноном (Claude Shannon). В 1948 году, в работе, которая по сей день считается основой теории связи, Шеннон предложил соотношение, описывающее канал с поло­сой пропускания W [Гц], находящийся под влиянием шума. Шеннон ввел характери­стику канала - отношение сигнал/шум (signal-to-noise ratio — S/N}. Она представля­ет собой отношение средних уровней мощности исходного сигнала и шума. Отношение S/Nобычно выражается в логарифмических единицах - децибелах [дБ].

Согласно Шеннону, максимальная пропускная способность канала Rmах [бит/с] с полосой пропускания WГц] и отношением сигнал/шум S/N выражается следую­щим образом

Rmах =W log2(1+S/N) (9.3)

Соотношение Шеннона даст максимальную скорость передачи данных без иска­жения при определенном уровне шума. Ее следует рассматривать как фундаменталь­ный физический предел, который нельзя достигнуть на практике. Это понятие экви­валентно термодинамическому пределу преобразования тепла в работу. Так же как и в термодинамике, соотношение Шеннона дает наглядное представление о качестве реального процесса связи.

На практике очень сложно даже приблизиться к пределу Шеннона. Скорость переда­чи, равная одной трети от теоретического максимума, обычно считается более чем удов­летворительной. Для превышения этого уровня требуется специальное многоуровневое кодирование сигнала, что увеличивает время его обработки (не следует путать со сжати­ем данных, которое уменьшает количество символов, подлежащих передаче). Выигрыш в скорости передачи может обернуться потерями при кодировании и декодировании пе­редатчиком и приемником. Если данные передаются по каналу со скоростью, превыша-ющей предел Шеннона, то ошибки, вносимые шумом, исказят сигнал до такой степени,

что приемник не сможет его правильно декодировать.

Анализ уравнения Шеннона показывает, что максимальную скорость передачи данных можно повысить за счет увеличения полосы пропускания, уровня мощности сигнала и снижения уровня шума. При фиксированном (неизменном) уровне шума расширение полосы пропускания более эффективно, чем увеличение уровня мощности и, соответственно, отношения S/N. В сущности, все современные разработки в технике связи нацелены на расширение полосы пропускания в большей степени, чем на повышение уровня мощности.

Следует обратить внимание, что выражение (9,2) не является частным случаем вы­ражения (9.3) при отсутствии шума (т. е. для S/N→∞). Соотношение Найквиста представляет собой функцию числа кодирующих символов и приводит к теоретически бесконечной пропускной способности для любого канала. Утверждение Шеннона представляет собой функцию отношения S/N, В соответствии с выражением (9.2) при отсутствии шума и любой полосе пропускания W > 0, можно передавать сколько угод­но информации при условии, что выбран подходящий способ кодирования. В случае телефонной линии с полосой пропускания 3000 Гц и типичном отношении S/N в 30 дБ (мощность сигнала превышает шум в 1000 раз) предел Шеннона равен 30 кбит/с. Со­отношение Найквиста определяет, что для передачи этого количества информации должна быть использована схема кодирования с 32 различными уровнями сигнала.

Скорость передачи, определяемая соотношением Шеннона, может показаться очень маленькой по сравнению с теми скоростями, которые сейчас необходимы, на­пример, для графических рабочих станций, работающих с мультимедийными прило­жениями. Рабочая станция в офисной среде обычно постоянно соединена с сервером высокоскоростными каналами практически при отсутствии внешних помех. Напро­тив, во многих приложениях, связанных с управлением промышленными и техноло­гическими объектами, физический носитель имеет ограниченную пропускную спо­собность, а уровень шума гораздо выше.

В заключение еще раз отметим, что основными ограничениями при создании ка­нала связи являются полоса пропускания и соотношение сигнал/шум. Доступная полоса пропускания должна соответствовать необходимой пропускной способности. Если это условие не выполняется, никакие совершенные средства связи не помогут решить проблему.

9.3.2. Электрические проводники

Наиболее распространенные типы электрических проводников, используемые для связи, — это витая пара и коаксиальный кабель (раздел 4.5.2). Витая пара более чувствительна к электромагнитному шуму, особенно вблизи силовых кабелей и электрооборудования. Оболочка коаксиального кабеля обеспечивает лучшее экра­нирование и, следовательно, большую устойчивость к помехам. Полоса пропускания витой пары ограничена несколькими мегагерцами. Это означает, что она не может обеспечить скорости передачи выше, чем несколько Мбит/с на расстояния порядка километра. Однако благодаря своей простоте и низкой стоимости витая пара часто применяется в качестве среды передачи.

Коаксиальный кабель имеет полосу пропускания до 500 МГц и обычно использу­ется для передачи радио - и телевизионных сигналов. Благодаря широкой полосе пропускания коаксиальный кабель позволяет обеспечить значительно более высокие скорости передачи, чем витая пара.

Существует функциональное различие между узкополосным и широкополосным коаксиальным кабелем. Узкополосный (baseband) коаксиальный кабель использу­ется для цифровой связи на одной несущей частоте, обычно 5, 10 или 20 МГц. Узко­полосный кабель является стандартным решением для большинства промышленных приложений. Широкополосный (broadband) кабель используется для передачи на большие расстояния нескольких сигналов на разных частотах, так как его коэффици­ент затухания меньше. Этот кабель мало применяется в промышленных системах, поскольку здесь редко возникает необходимость совмещать передачу телефонных разговоров, офисных данных, телевизионного сигнала и сигналов промышленной ав­томатики по одному физическому проводу. Прокладка и обслуживание витой пары и коаксиального кабеля обычно не вызывает проблем. Сети промышленных объектов, которые будут описаны ниже, используют витую пару и коаксиальный или оптичес­кий кабель в качестве физической среды передачи.

Одна из основных проблем при применении электрических проводников — это отраженные сигналы. Они вызваны несогласованностью сопротивлений, из-за чего | часть сигнала передается нормально, а часть отражается (раздел 4.5.2). Рассогласо­вание сопротивлений обычно связано с изгибами кабеля или дефектными компонен­тами — соединителями, терминаторами или отводами. Отраженные сигналы нару­шают нормальную передачу, вызывают помехи и ухудшают качество связи.

Для локализации источников рассогласования используются специальные при­боры, называемые кабельными анализаторами. Они выдают сигнал в кабель и при­нимают его отражение. Интервал между посылкой исходного и приходом отражен­ного импульса определяет расстояние от точки проведения испытаний до места рассогласования импедансов.

9.3.3. Кодирование бит

Существуют два основных способа передачи битовой последовательности по фи­зическому каналу:

- посылка бит в линию в непосредственном или закодированном виде при сохра­нении цифрового характера данных;

- модуляция несущей по амплитуде/частоте/фазе и передача модулированного сигнала.

Непосредственный способ передачи цифровых данных является наиболее про­стым. При непосредственном кодировании, например, уровень напряжения 0 В пред­ставляет логический "0", а +10 В — логическую"1" (рис. 9.6, а). Говорят, что ноль со­ответствует покою (space), a единица — посылке или импульсу (mark). Часто используется обратная кодировка — при "0" (или покое) линия находится под высо­ким напряжением, а "1" (посылке) соответствует низкий уровень напряжения. Ши­роко используется полярное кодирование — сигналы, соответствующие "О" и "1", имеют противоположные знаки по отношению в общей базе. Прямое, обратное и по­лярное кодирования называются кодированием без возвращения к нулю (Non-Return to Zero — NRZ), так как в нем отсутствует обязательный переход к нулевому уровню. i Последовательность единиц будет поддерживать линию при постоянном высоком или низком потенциале в соответствии с принятой схемой кодирования.

Метод кодирования без возвращения к нулю прост, но чувствителен к помехам и искажениям. Для компенсации затухания и искажений в линии на стороне прием­ника любое напряжение менее чем + 2 В интерпретируется как логический "О", а уров­ни выше +5 В воспринимаются как "1". Триггер Шмитта (Schmitt trigger), настроен­ный на эти уровни, можно использовать для восстановления цифрового сигнала (рис. 9.7).

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

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

Рис. 9.7. Пороговые значения для триггера Шмита

Однако при непосредственном применении NRZ-кодирования возникает еще одна существенная проблема. Приемник не может различить, где начинается и кон­чается каждый отдельный бит. Кроме того, если передатчик использует разные ско­рости, приемник не может сразу в начале передачи определить его скорость. Иными словами, чистое NRZ-кодирование не позволяет отличить отсутствие сообщения от последовательности несущих информацию нулей. Должен ли приходящий импульс рассматриваться как одна длинная или как две короткие единицы? Возможное реше­ние — предварять каждое сообщение преамбулой (preamble), т. е. последовательнос­тью чередующихся нулей и единиц, обеспечивающих синхронизацию передатчика и приемника. Однако при этом остается риск потери синхронизации в процессе пере­дачи данных и, соответственно, неправильной их интерпретации. Наконец, если все импульсы имеют одинаковую полярность, распределенная емкость линии ведет к на­коплению постоянного электрического потенциала.

Все указанные проблемы решаются при кодировании с возвращением к нулю (Return to Zero - RZ) (рис. 9.6 б). В этом случае исходные данные комбинируются с сигналом синхронизации. Как и при прямом кодировании, здесь также определены два уровня потенциала, один из которых соответствует логическому нулю, а вто­рой - логической единице. Каждый бит начинается с определенного для его значе­ния уровня потенциала, а в середине каждого импульса осуществляется переход на нулевой уровень; фронт перехода используется для синхронизации приемника. При другом типе RZ-кодирования применяются сигналы разной полярности (рис. 9.6 в). RZ-кодирование требует в два раза более широкой полосы, чем NRZ-кодирование, а соответствующая электроника интерфейсных устройств гораздо сложнее, однако достоинства метода отодвигают эти недостатки на задний план.

Другой широко применяемый способ - это манчестерское или двухфазное коди­рование (Bi-phase Level - BiO-L). При манчестерском кодировании каждый бит ко­дируется двумя уровнями напряжения с переходом в середине каждого импульса (бита) При прямом манчестерском кодировании бит "О" представляется переходом от уровня низкого напряжения к высокому, а бит "1" - переходом от высокого уров­ня к низкому (рис. 9.6 г). Похожая схема используется при дифференциальном ман­честерском кодировании, при котором бит "О" представляется переходом уровня в начале каждого нового периода, а бит "1" - отсутствием такого перехода (рис. 9.fa d). При дифференциальном манчестерском кодировании код бита зависит от уровня на­пряжения второй половины предшествующего бита.

Манчестерское и дифференциальное манчестерское кодирования являются са-мосинхронизирующимися кодами (т. е. позволяют приемнику настроиться на пере-датчик без специальных синхросигналов) и имеют более высокую защиту от шума по сравнениго с RZ-кодированием. Как и для кодирования с возвращением к нулю ман-честерские схемы требуют в два раза более широкой полосы пропускания, чем при RZ-кодирование. Преимущество манчестерского кодирования в том, что оно использует два уровня напряжения вместо трех и соответствующая аппаратура проще, Км при RZ-кодировании. Манчестерское кодирование широко применяется в локальных сетях, например в Ethernet.

Существуют и другие схемы кодирования, но они применяются в основном для дальней и спутниковой связи, а не для управления производственными процессами и здесь рассматриваться не будут.

9.3.4. Модуляция несущей

Модуляция несущей (carrier modulation) используется для согласования инфор-мационного сигнала с линией, по которой он передается. Модуляция представляет собой изменение некоторых параметров (амплитуды, частоты, фазы) высокочастот­ной несущей как функции исходного информационного сигнала; в качестве несущей используется высокочастотный синусоидальный или импульсный сигнал. При­емник выделяет исходный сигнал из модулированного. Различные типы модуляции определяются типом несущей и процедурой модуляции. Частота несущей может изменяться в широком диапазоне — стандартные модемы для передачи данных по обычным телефонным линиям (раздел 9.8.1) работают, например, при частотах в диа­пазоне Гц, а для передачи по широкополосному кабелю несущая частота мо­жет достигать 500 МГц.

Амплитудная модуляция (AM, Amplitude Modulation — AM) редко используется при передаче цифровых данных. Более распространены частотная (FМ, Frequency Modulation — FM) и фазовая модуляция (ФМ, Phase Modulation — РМ). При приме­нении каждого из видов модуляции соответствующий параметр несущей изменяется как функция входного сигнала. При амплитудной модуляции каждый уровень на­пряжения исходного сигнала соответствует определенной амплитуде несущей, при частотной модуляции — частоте в определенном диапазоне, а при фазовой — опреде­ленному фазовому сдвигу несущего сигнала.

Когда несущая модулируется цифровым сигналом, модуляции называются амп­литудной манипуляцией (АМн, Amplitude Shift Keying — ASK), частотной манипуля­цией (ЧМн, Frequency Shift Keying — FSK) и фазовой манипуляцией (ФМн, Phase Shift Keying — PSK) соответственно. Из этих трех методов фазовая манипуляция наиболее устойчива к помехам, т. е. для одного и того же отношения сигнал/шум на фазно-манипулированный сигнал помехи оказывают меньшее влияние, чем на амп-литудно - или частотно-манипулированный сигнал.

Модуляция несущей не должна точно следовать цифровому входному сигналу. Изменение некоторого параметра несущей частоты можно связать с последовательно­стью из нескольких бит, а не только с одним битом. Это позволяет передавать больше информации на той же несущей частоте. Например, при фазовой модуляции можно использовать непосредственное соответствие: "0" фазовый сдвиг — 0° и "1" — 180°. В другом варианте битовые последовательности 00, 01, 10, 11 могут кодироваться фазовыми сдвигами в 0°, 90°, 180° и 270° соответственно. При этом тот же сигнал не­сет двойной объем данных. Более сложной является квадратурно-амплитуд нал мо­дуляция (Quadrature Amplitude Modulation, QAM), при которой амплитудная и фазо­вая модуляции сочетаются для передачи нескольких бит в соответствии с каждым изменением огибающей несущего сигнала.

Число изменений в секунду одного из параметров несущей называется сигналь­ной скоростью или скоростью передачи в бодах (Baud rate). Понятия скорости пере­дачи в битах и в бодах часто путают. Они совпадают лишь в случае, когда изменение модулируемого параметра соответствует одному биту, т. е. когда несущая может иметь лишь два состояния, каждое из которых соответствует "0" или "1". При QAM-модуляции, например, комбинированные изменения амплитуды и фазы могут соответствовать четырем битам, и битовая скорость в четыре раза выше, чем скорость в бодах. Скорость в бодах неудобна как практическая мера скорости передачи, по­скольку она требует дополнительно указать метод кодирования; реальный интерес представляет скорость в битах.

Произвольно увеличить пропускную способность с помощью мультибитного коди­рования и квадратурно-амплитудной модуляции нельзя. Исходя из выражения (9.2) при использовании четырех значений фазового сдвига число символов V увеличивается с 2 до 4. Для обработки соответствующих сигналов требуется более сложное оборудова­ние, а передаваемые сигналы становятся более чувствительны к шуму. Для каждой ли­нии при известной полосе пропускания, постоянном уровне шума и заданной несущей частоте существует оптимальная скорость передачи данных. Попытка превысить эту скорость не улучшит пропускную способность канала, так как при этом наряду с исходными данными потребуется передача информации, необходимой для исправления оши­бок, и дополнительная обработка сигнала как передатчиком, так и приемником. По мере технического прогресса и появления более сложных и дешевых средств обработки рас­ширяется сфера применения комбинированной техники модуляции, позволяющей луч­ше использовать доступные физические каналы. Однако теоретическая максимальная скорость передачи канала не зависит от технологии и определяется лишь шириной поло­сы пропускания канала и отношением сигнал/шум [уравнение (9.3)].

9.3.5. Синхронизация

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

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

Рис. 9.8. Синхронная и асинхронная передача данных |

9.3.6. Стандарты интерфейса EIA-232-D и RS

Стандарт интерфейса EIA-232-D является, по-видимому, наиболее известным и распространенным среди стандартов для последовательной передачи данных. Сам по себе механизм работы EIA-232-D и других коммуникационных интерфейсов несложен. Настоящая проблема — следить за всеми документами, издаваемыми орга­низациями по стандартизации, за их перекрестными ссылками и за тем, что они рег­ламентируют, а что нет.

Стандарт EIA-232-D ранее назывался RS-232 (RS от Recommended Standard — реко­мендуемый стандарт). Он был введен в 1969 году. Ассоциацией электронной промыш­ленности (Electronics Industries Alliance, EIA) для описания требований к интерфейсу между ЭВМ или терминалами и модемами. Его последняя редакция, при которой назва­ние было изменено с RS на EIA, датируется декабрем 1987 году. Исходная специфика­ция RS-232 была использована международными организациями по стандартизации МККТТ и ISO для разработки их собственного набора спецификаций с небольшими из­менениями по отношению к оригиналу RS-232. Сейчас круг замкнулся, поскольку стан­дарт El A-232-D, в свою очередь, ссылается на стандарты МККТТ и ISO.

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

В соответствии со стандартом физический разъем имеет 25 контактов и нормирует­ся как ISO-2110. Спецификация EIA-232-D определяет цепи для передачи по двум ка­налам и для тестирования АКД. Однако на практике используется только один канал. Электрический интерфейс EIA-232-D следует рекомендациям ITU V.2S. Уровни сиг­налов между +3 В и +15 В используются для логического "О", а между -3 В и -15 В - для логической "1" (обратное кодирование). Входные электронные устройства долж­ны выдерживать скачки напряжения до ±25 В. Максимальная скорость передачи дан­ных равна 19200 бит/с при длине кабеля до 15 м; при более низкой скорости передачи длина кабеля может быть больше. Распределение сигналов на контактах разъемов и протоколы передачи EIA-232-D соответствуют рекомендациям ITU V.24. Некоторые контакты используются для индикации готовности к передаче или приему данных.

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

Стандарт EIA-232-D не регламентирует вид передачи, которая может быть как асин­хронной, так и синхронной (определены две цепи для приема и передачи синхронизиру­ющих сигналов). Цифровые данные могут использовать любой вид кодирования.

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

Описание EIA-449 не регламентирует непосредственно уровни электрических сигналов. Это определяется другими документами — El A-422 для сбалансированной и EIA-423 для несбалансированной передачи. Эти стандарты распространяются только на спецификацию электрической части и не затрагивают остальные функцио­нальные требования к полному интерфейсу связи. Основной разъем EIA-449 предус­матривает два дополнительных контакта для обратных цепей сбалансированной передачи. В El A-422 определена скорость передачи данных до 2 Мбит/с, а при исполь­зовании несбалансированных, цепей и общей обратной линии обеспечивается макси­мальная скорость 20 Кбит/с. Максимальная скорость передачи данных в EIA-423 (асимметричное соединение) составляет 20 Кбит/с, что совпадает с EIA-232. Предус­мотрена совместимость EIA-449 с EIA-232-D, достигаемая с помощью относительно простого оборудования. Пока лишь немногие устройства используют интерфейс стандарта EIA-449,

9.3.7. Многоточечный электрический интерфейс RS-485

Стандарты, описанные выше, ориентированы на передачу данных только между двумя устройствами. Однако во многих приложениях требуется соединение несколь­ких устройств с помощью общей линии. Соответствующий электрический интерфейс описан в стандарте RS-4S5. Этот стандарт относится только к электрическим парамет­рам интерфейса и не оговаривает качество сигнала, синхронизацию, протоколы, назна­чение контактов разъемов и другие подобные вопросы. Допустимая скорость передачи для двоичных данных достигает 10 Мбит/с. Функционально стандарт RS-485 во мно­гом похож на электрические решения, применяемые в системных шинах.

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

Рис. 9.9. Структура интерфейса RS-485

Работа интерфейса аналогична тристабильной логике шины (раздел 8.2.3). Гене­раторы (передатчики) могут находиться в активном или пассивном состоянии. В пассивном состоянии они являются для сети большой нагрузкой (сопротивлением). В активном состоянии они питают сеть дифференциальным напряжением в преде­лах от 1.5 до 5.0 В между двумя выходными контактами. Одна полярность соответ­ствует двоичному "О", т. е. один контакт имеет положительный потенциал по отношению ко второму, а двоичная " 1" имеет обратную полярность по отношению к уровню "О". Дифференциальный порог для приемников установлен на уровне 0.2 В при допу­стимом диапазоне входных напряжений от -7 до +12 В по отношению к "земле" приемника. В этой конфигурации ни один из проводов не находится под потенциа­лом "земли". Перекоммутация контактов генератора или приемника эквивалентна инверсии значений бит.

Входной импеданс приемника и выходной импеданс передатчика в пассивном со­стоянии измеряется в единицах нагрузки, которые точно определены в стандарте. Передатчик должен обеспечивать питание до 32 единиц нагрузки и двух оконечных резисторов при полной эквивалентной нагрузке линии 54 Ом. Передатчик также должен выдерживать мощность, выделяемую при активном состоянии двух или большего числа передатчиков, часть из которых работает в режиме источника, а часть — в режиме потребления питания.

9.3.8. Оптическая передача данных

Передача сигналов световыми импульсами по оптоволоконному кабелю получи­ла широкое распространение в различных системах связи и измерений. Оптическая среда имеет ряд преимуществ перед электрической, но у нее есть свои проблемы. Ин­терфейсные устройства для оптического кабеля сложнее и, следовательно, дороже, чем устройства для электрического кабеля. Однако в целом преимущества настолько существенны, что для многих приложений оптическая передача может рассматри­ваться как наиболее выгодный способ.

Оптоволоконная система есть не просто другой тип среды передачи, а является пол­ной системой связи, состоящей из собственно оптоволоконного кабеля, генератора сигналов, приемника, оборудования для обработки сигналов на обоих концах кабеля и вспомогательных элементов (рис. 9.10). Различные технические решения для кабеля, генератора и приемника позволяют получать системы с разными характеристиками. Ширина полосы пропускания канала и допустимая длина линии определяются затуха­нием и спектральной дисперсией оптоволоконного кабеля, выходной мощностью гене­ратора и чувствительностью светового датчика на приемном конце. Оптический ка­бель описывается параметром, характеризующим ширину полосы пропускания и соответствующее ей максимальное расстояние, которые обратно пропорциональны друг другу. Этот параметр измеряется в МГц • км и определяет предел работоспособ­ности кабеля. Для любого оптического канала чем больше длина, тем уже становится полоса пропускания. Поскольку оптоволоконные каналы не зависят от электромаг­нитных возмущений, шум практически не оказывает никакого влияния (высокое от­ношение 5/JV), и полосу пропускания можно использовать в полном объеме.

Рис. 9.10. Принцип работы оптоволоконной системы связи

Оптические проводники представляют из себя очень тонкие (диаметром в доли миллиметра) и легкие волокна, изготовленные из прозрачного вещества — кварца, плавленого кремния (стекла) или пластмассы. Волокно состоит из сердцевины (core) и наружного слоя, называемого оболочкой (cladding), и защищено пластмассовым эк­раном (sheath). Показатель преломления сердцевины выше, чем показатель прелом­ления наружного слоя, поэтому световые лучи отражаются от оболочки и распрост­раняются по волокну.

Существует три основных вида оптических волокон, различающихся по размеру, типу материала и показателю преломления сердцевины и оболочки. Простейший тип оптического волокна, называемый многомодовым со скачком показателя преломле- ния (step index multimode), имеет резкую границу между сердцевиной и оболочкой. Это волокно изготавливается из дешевых пластических материалов и имеет большое зату­хание (порядка 2.5 дБ/км) и высокую спектральную дисперсию. Этот последний фак­тор важен в связи с тем, что свет источника состоит из волн различной длины, которые ; распространяются по волокну с разной скоростью. В результате передаваемый им­пульс ослабляется по мере распространения по волокну и "размывается". Поэтому та­кой кабель нельзя использовать для передачи сигналов на большие расстояния. Одна­ко низкая стоимость делает его идеальными для применения в локальных сетях. Соотношение полоса пропускания-ддина составляет менее 35 МГц∙км.

У многомодового волокна с плавным изменением показателя преломления
(graded index multimode) граница между сердцевиной и оболочкой размыта для того,
чтобы обеспечить различные значения показателя преломления в сердцевине. Такая
конструкция снижает влияние спектральной дисперсии и поэтому более эффективна
для передачи на большие расстояния. Типичное значение коэффициента затухания
при длине волны 1300 нм равно 0.8 дБ/км. Соотношение полоса пропускания – дли-­
на составляет менее 500 МГц-км.

Одномодовое волокно со скачком показателя преломления (step index single mode fiber) имеет очень тонкую сердцевину (диаметром -10 микрон), а характерис­тики показателя преломления допускают распространение только одной длины волны, поэтому его называют одномодовым. Для достижения высокой оптической чистоты такое волокно изготавливается из кварца. Это обеспечивает низкий коэффициент затухания - 0.4 дБ/км при длине волны 1300 нм и 0.25 дБ/км при 1550 нм — и очень широкую полосу пропускания — порядка 10 ГГц-км. Очевидно, что такое оптическое волокно дороже, чем остальные.

Источником света, преобразующим цифровые электрические сигналы в световые импульсы, в оптической системе связи является либо светоизлучающий, либо лазерный диод. Светоизлучающий диод (light-emitting diode — LED) имеет ограниченную выходную мощность до 0.1 мВт; максимальная скорость передачи равна примерно 8 Мбит/с. Более дорогие лазерные диоды (laser diode) имеют в 100 раз большую вы­ходную мощность, чем светодиоды, — до 10 мВт — и могут обеспечивать скорость передачи более 10 Гбит/с. Светоизлучающие и лазерные диоды различаются еще од­ним важным качеством. Светодиоды генерируют свет в более широкой полосе, чем лазерные диоды, — примерно 30-80 нм против 5 нм. Поэтому свет, излучаемый ла­зерными диодами, значительно меньше подвержен влиянию спектральной дисперсии, и поэтому лазерные диоды используются при передаче на большие расстояния.