Узгодження, екранування і гальванічна розв'язка ліній зв'язку

Як вже наголошувалося, електричні лінії зв'язку (виті|кручені| пари, коаксіальні кабелі) вимагають проведення спеціальних мерів, без яких неможлива не лише|не тільки| безпомилкова передача даних, але і взагалі будь-яке функціонування мережі|сіті|. Оптоволоконні кабелі вирішують|рішають| всі подібні проблеми автоматично.

Узгодження електричних ліній зв'язку застосовується для забезпечення нормального проходження сигналу по довгій лінії без віддзеркалень і спотворень. Слід зазначити, що в локальних мережах кабель працює в режимі довгої лінії навіть при мінімальних відстанях між комп'ютерами, оскільки швидкості передачі інформації і частотний спектр сигналу дуже великі.

Принцип узгодження кабелю простий: на його кінцях необхідно встановити резистори (терминаторы), що погоджують, з опором, рівним хвилевому опору використовуваного кабелю.

Як уже згадувалося, хвилевий опір – це параметр даного типа кабелю, залежний тільки від його пристрою (перетину, кількості і форми провідників, товщини і матеріалу ізоляції і так далі). Величина хвилевого опору обов'язково указується в супровідній документації на кабель і складає зазвичай від 50—100 Ом для коаксіального кабелю, до 100—150 Ом для витої пари або плоского багатопровідного кабелю. Точне значення хвилевого опору легко можна зміряти за допомогою генератора прямокутних імпульсів і осцилографа якраз по відсутності спотворення форми передаваного по кабелю імпульсу. Зазвичай потрібний, щоб відхилення величини резистора, що погоджує, не перевищувало 10% в ту або іншу сторону.

Якщо опір Rн, що погоджує, навантаження, менше хвилевого опору кабелю Rв, то фронт передаваного прямокутного імпульсу на приймальному кінці буде затягнутий, якщо ж Rн більше Rв, то на фронті буде коливальний процес (рис.3.1).

Мал. 3.1. Передача сигналів по електричному кабелю

Мережеві адаптери, їх приймачі і передавачі спеціально розраховуються на роботу з даним типом кабелю з відомим хвилевим опором. Тому навіть при ідеально узгодженому на кінцях кабелю, хвилевий опір якого істотно відрізняється від стандартного, мережа, швидше за все, працювати не буде або працюватиме із збоями.

Тут же варто згадати про те, що сигнали з пологими фронтами передаються по довгому електричному кабелю краще, ніж сигнали з крутими фронтами. Їх форма значно менше спотворюється (рис. 3.2). Це пов'язано з різницею величин загасання для різних частот (високі частоти затухають сильніше). Менше всього спотворюється форма синусоїдального сигналу, він просто зменшується по амплітуді. Для поліпшення якості передачі нерідко використовуються трапецієвидні або дзвіноподібні імпульси (рис. 3.3), близькі формою до півхвилі синуса, для чого штучно затягуються або згладжуються фронти спочатку прямокутних сигналів.

Мал. 3.2. Загасання сигналів в електричному кабелі

Мал. 3.3. Трапецієвидний і дзвіноподібні імпульси

Екранування електричних ліній зв'язку застосовується для зниження впливу на кабель зовнішніх електромагнітних полів. Екран є мідною або алюмінієвою оболонкою (плетену або з фольги), в яку полягають дроти кабелю. Екранування працюватиме, якщо екран заземлений, оскільки необхідно, щоб наведені на нього струми стікали на землю. Крім того, екранування помітно зменшує і зовнішні випромінювання кабелю, що важливе для забезпечення секретності передаваної інформації. Побічними корисними ефектами екранування є збільшення міцності кабелю і трудності з механічним підключенням до кабелю для підслуховування. Екран помітно підвищує вартість кабелю, але також його механічну міцність.

Понизити вплив наведених перешкод можна і без екрану, якщо використовувати диференціальну передачу сигналу (рис. 3.4). В цьому випадку передача йде по двох дротах, причому обидва дроти є сигнальними. Передавач формує сигнали протифаз, а приймач реагує на різницю сигналів в обох дротах. Умовою узгодження є рівність опорів резисторів R, що погоджують, половині хвилевого опору кабелю Rв. Якщо обидва дроти мають однакову довжину і прокладені поруч (у одному кабелі), то перешкоди діють на обидва дроти приблизно однаково, і в результаті різницевий сигнал між дротами практично не спотворюється. Саме така диференціальна передача застосовується зазвичай в кабелях з витих пар. Але екранування і в цьому випадку істотно покращує перешкодостійкість.

Мал. 3.4. Диференціальна передача сигналів по витій парі

Гальванічна розв'язка комп'ютерів від мережі при використанні електричного кабелю абсолютно необхідна. Річ у тому, що по електричних кабелях (як по сигнальних дротах, так і по екрану) можуть йти не лише інформаційні сигнали, але і так званий вирівнюючий струм, що виникає унаслідок неідеальності заземлення комп'ютерів.

Коли комп'ютер не заземлений, на його корпусі утворюється наведений потенціал близько 110 вольт|вольт-ампер| змінного струму|току| (половина живлячої|почувати| напруги|напруження|). Його можна відчути на собі, якщо однією рукою узятися за корпус комп'ютера, а інший за батарею центрального опалювання або за який-небудь|будь-який| заземлений прилад.

При автономній роботі комп'ютера відсутність заземлення, як правило, не робить серйозного впливу на його роботу. Правда, інколи|іноді| збільшується кількість збоїв в роботі машини. Але|та| при з'єднанні|сполуці| декількох територіально рознесених комп'ютерів електричним кабелем заземлення стає серйозною проблемою. Якщо один з комп'ютерів, що сполучаються|з'єднують|, заземлений, а іншої немає, то можливий вихід з|із| буд|ладів| одних з них або обидва. Тому комп'ютери украй|надто| бажано заземляти.

В разі|у разі| використання трьохконтактної вилки|виделки| і розетки, в яких є нульовий дріт|провід|, це виходить автоматично. При двохконтактній вилці|виделці| і розетці необхідно приймати спеціальні заходи, організовувати заземлення окремим дротом|проводом| великого перетину. Варто також відзначити, що в разі|у разі| трифазної мережі|сіті| бажано забезпечити живлення|харчування| всіх комп'ютерів від однієї фази.

Але|та| проблема ускладнюється ще і тим, що "земля|грунт|", до якої приєднуються комп'ютери, зазвичай|звично| далека від ідеалу. Теоретично заземляючі дроти|проводи| комп'ютерів повинні сходитися в одній крапці|точці|, сполученою|з'єднаною| короткою масивною шиною із|із| заритим в землю|грунт| масивним провідником. Така ситуація можлива тільки|лише| якщо комп'ютери не дуже|занадто| рознесені, і заземлення дійсно зроблене грамотно. Зазвичай|звично| же заземляюча шина має значну довжину, струми|токи|, що внаслідок чого стікають по ній, створюють досить велику різницю потенціалів між її окремими крапками|точками|. Особливо велика ця різниця потенціалів в разі|у разі| підключення до шини потужних|могутніх| і високочастотних споживачів енергії.

Приєднані до однієї і тієї ж шини, але в різних крапках, комп'ютери мають на своїх корпусах різні потенціали (рис. 3.5). В результаті по електричному кабелю, що сполучає комп'ютери, потече вирівнюючий струм (змінний з високочастотними складовими).

Мал. 3.5. Вирівнюючий струм за відсутності гальванічної розв'язки

Гірше, коли комп'ютери підключаються до різних шин заземлення. Вирівнюючий струм|тік| може досягати в цьому випадку величини декілька ампер|ампер-провідник|. Подібні струми|токи| смертельно небезпечні для малосигнальних вузлів комп'ютера. Крім того вирівнюючий струм|тік| істотно|суттєвий| впливає на передаваний сигнал, деколи|почасти| повністю|цілком| забиваючи його. Навіть тоді, коли сигнали передаються без участі екрану (наприклад, по двох дротах|проводах|, увязнених в екран) унаслідок|внаслідок| індуктивної дії вирівнюючий струм|тік| заважає|мішає| передачі інформації. Саме тому екран завжди має бути заземлений тільки|лише| в одній крапці|точці|.

Проте якщо кожен з комп'ютерів самостійно заземлений, то заземлення екрану в одній крапці стає неможливим без гальванічної розв'язки комп'ютерів від мережі. Таким чином не повинно бути зв'язку по постійному струму між корпусом ("землею") комп'ютера і екраном ("землею") мережевого кабелю. В той же час, інформаційний сигнал повинен передаватися з комп'ютера в мережу і з мережі в комп'ютер. Для гальванічної розв'язки зазвичай застосовують імпульсні трансформатори, які входять до складу мережевого устаткування (наприклад, мережевих адаптерів). Трансформатор пропускає високочастотні інформаційні сигнали, але забезпечує повну ізоляцію по постійному струму.

Мал. 3.6. Правильне з'єднання комп'ютерів мережі (гальванічна розв'язка умовно показана у вигляді прямокутника)

Грамотне з'єднання комп'ютерів локальної мережі електричним кабелем обов'язково повинно включати наступне (рис. 3.6):

• крайове узгодження кабелю за допомогою терминаторов;
• гальванічну розв'язку комп'ютерів від мережі;
• заземлення кожного комп'ютера;
• заземлення екрану (якщо, звичайно, він є) в одній крапці|точці|.

Не варто нехтувати яким-небудь з цих вимог. Наприклад, гальванічна розв'язка мережевих адаптерів часто розраховується на допустиму напругу ізоляції всього лише 100 В, що за відсутності заземлення одного з комп'ютерів може легко привести до виходу з буд його адаптера.

Слід зазначити, що для приєднання коаксіального кабелю зазвичай|звично| застосовуються роз'єми в металевому корпусі. Цей корпус не повинен з'єднуватися ні з|із| корпусом комп'ютера, ні з|із| "землею|грунтом|" (на платі адаптера він встановлений|установлений| з|із| пластиковою ізоляцією від кріпильної планки). Заземлення екрану кабелю мережі|сіті| краще проводити|виробляти| не через корпус комп'ютера, а окремим спеціальним дротом|проводом|, що забезпечує кращу надійність. Пластмасові корпуси роз'ємів RJ-45| для кабелів з|із| неекранованими витими|крученими| парами знімають цю проблему.

Поважно також враховувати, що екран кабелю, заземлений в одній крапці, є радіоантеною із заземленою підставою. Він може уловлювати і підсилювати високочастотні перешкоди з довжиною хвилі, кратній його довжині. Для зниження цього "антенного ефекту" застосовується багатоточкове заземлення екрану по високій частоті. У кожному мережевому адаптері "земля" мережевого кабелю з'єднується з "землею" комп'ютера через високовольтні керамічні конденсатори. Для прикладу на рис. 3.7 показана спрощена схема гальванічної розв'язки, вживана в мережевих адаптерах Ethernet.

Мал. 3.7. Схема гальванічної розв'язки в мережі Ethernet

Приймач безпосередньо пов'язаний з кабелем мережі, але гальванічно розв'язаний за допомогою трансформаторів від комп'ютера і решти частки мережевого адаптера. Це продиктовано особливостями протоколу CSMA/CD і манчестерської коди, вживаних в Ethernet. Для забезпечення повної розв'язки живлення приймача здійснюється за допомогою перетворювача живлячої напруги, що має усередині також трансформаторну гальванічну розв'язку. Обплетення коаксіального кабелю сполучене із спільним дротом комп'ютера через високовольтний конденсатор. Паралельно конденсатору включений резистор з великим опором (1 Мом), який запобігає електричному удару користувача при одночасному торканні ним обплетення кабелю (корпуси роз'єму) і корпусу комп'ютера.

В разі|у разі| застосування|вживання| витих|кручених| пар все набагато простіше. Кожна витаючи пара має розв'язуючі імпульсні трансформатори на обох своїх кінцях. Жоден з дротів|проводів| витої|крученої| пари не заземляється (вони обидва сигнальні). До того ж роз'єми для витих|кручених| пар мають пластмасовий корпус.

Кодування інформації в локальних мережах|сітях|

Інформація в кабельних локальних мережах передається в закодованому вигляді, тобто кожному біту передаваної інформації відповідає свій набір рівнів електричних сигналів в мережевому кабелі. Модуляція високочастотних сигналів застосовується в основному в безкабельних мережах, в радіоканалах. У кабельних мережах передача йде без модуляції або, як ще говорять, в основній смузі частот.

Правильний вибір коди дозволяє підвищити достовірність передачі інформації, збільшити швидкість передачі або понизити|знизити| вимоги до вибору кабелю. Наприклад, при різних кодах гранична швидкість передачі поодинці і тому ж кабелю може відрізнятися в два рази. Від вибраної коди безпосередньо|прямо| залежить також складність мережевої|мережної| апаратури (вузли кодування і декодування коди). Код повинен в ідеалі забезпечувати хорошу|добру| синхронізацію прийому, низький рівень помилок, роботу з|із| будь-якою довжиною передаваних інформаційних послідовностей.

Деякі коди, використовувані в локальних мережах, показані на рис. 3.8. Далі розгледять їх переваги і недоліки.

Мал. 3.8. Найбільш поширені коди передачі інформації

Код NRZ|

Код NRZ| (Non| Return| to| Zero| – без повернення до нуля|нуль-індикатора|) – це простий код, що є звичайним|звичним| цифровим сигналом. Логічному нулю|нуль-індикатору| відповідає високий рівень напруги|напруження| в кабелі, логічній одиниці – низький рівень напруги|напруження| (або навпаки, що не принципово). Рівні можуть бути різній полярності (позитивною і негативною|заперечною|) або ж одній полярності (позитивною або негативною|заперечною|). Протягом бітового інтервалу (bit| time|, BT|), тобто|цебто| часу передачі одного біта ніяких|жодних| змін рівня сигналу в кабелі не відбувається|походить|.

До безперечних достоїнств коди NRZ відносяться його досить проста реалізація (початковий сигнал не треба ні спеціально кодувати на передавальному кінці, ні декодувати на приймальному кінці), а також мінімальна серед інших код пропускна спроможність лінії зв'язку, потрібна при даній швидкості передачі. Адже найбільш часта зміна сигналу в мережі буде при безперервному чергуванні одиниць і нулів, тобто при послідовності 1010101010..., тому при швидкості передачі, рівної 10 Мбіт/с (тривалість одного біта рівна 100 нс) частота зміни сигналу і відповідно необхідна пропускна спроможність лінії складе 1 / 200нс = 5 Мгц (рис. 3.9).

Мал. 3.9. Швидкість передачі і необхідна пропускна спроможність при коді NRZ

Мал. 3.10. Передача в коді NRZ з синхросигналом

Найбільший недолік|нестача| коди NRZ| – це можливість|спроможність| втрати синхронізації приймачем під час прийому дуже|занадто| довгих блоків (пакетів) інформації. Приймач може прив'язувати момент початку прийому тільки|лише| до першого (стартовому) біта пакету, а протягом прийому пакету він вимушений|змушений| користуватися тільки|лише| внутрішнім тактовим генератором (внутрішніми годинами). Наприклад, якщо передається послідовність нулів|нуль-індикаторів| або послідовність одиниць, то приймач може визначити, де минають|проходять| кордони|межі| бітових інтервалів, тільки|лише| по внутрішньому годиннику. І якщо годинник приймача розходиться з|із| годинником передавача, то часове зрушення|зсув| до кінця прийому пакету може перевищити тривалість одного або навіть декілька битий. В результаті станеться втрата переданих даних. Так, при довжині пакету в 10000 битий допустима розбіжність|розходження| годинника складе не більше 0,01% навіть при ідеальній передачі форми сигналу по кабелю.

Щоб уникнути втрати синхронізації, можна було б ввести другу лінію зв'язку для синхросигналу (рис. 3.10). Але при цьому необхідна кількість кабелю, число приймачів і передавачів збільшується в два рази. При великій довжині мережі і значній кількості абонентів це невигідно.

У зв'язку з цим код NRZ| використовується тільки|лише| для передачі короткими пакетами (зазвичай|звично| до 1 Кбіта).

Великий недолік коди NRZ полягає ще і в тому, що він може забезпечити обмін повідомленнями (послідовностями, пакетами) тільки фіксованої, заздалегідь обговореної довжини. Річ у тому, що за інформацією, що приймається, приймач не може визначити, чи йде ще передача або вже закінчилася. Для синхронізації початку прийому пакету використовується стартовий службовий біт, чий рівень відрізняється від пасивного стану лінії зв'язку (наприклад, пасивний стан лінії за відсутності передачі – 0, стартовий біт – 1). Закінчується прийом після відліку приймачем заданої кількості біт послідовності (рис. 3.11).

Мал. 3.11. Визначення закінчення послідовності при коді NRZ

Найбільш відоме застосування|вживання| коди NRZ| – це стандарт RS232-C|, послідовний порт персонального комп'ютера. Передача інформації в нім ведеться байтами (8 битий), супроводжуваними стартовим і стоповим бітами.

Три останніх коди (RZ, манчестерський код, біфазний код) принципово відрізняються від NRZ тим, що сигнал має додаткові переходи (фронти) в межах бітового інтервалу. Це зроблено для того, щоб приймач міг підстроювати свій годинник під сигнал, що приймався, на кожному бітовому інтервалі. Відстежуючи фронти сигналів, приймач може точно синхронизовать прийом кожного біта. В результаті невеликі розбіжності годинника приймача і передавача вже не мають значення. Приймач може надійно приймати послідовності будь-якої довжини. Такі коди називаються такими, що самосинхронизирующимися. Можна вважати, що коди, що самосинхронизирующиеся, несуть в собі синхросигнал.

Код RZ|

Код RZ| (Return| to| Zero| – з|із| поверненням до нуля|нуль-індикатора|) – цей трирівневий код отримав|одержував| таку назву тому, що після|потім| значущого рівня сигналу в першій половині бітового інтервалу слідує|прямує| повернення до якогось|деякого| "нульового", середнього рівня (наприклад, до нульового потенціалу). Перехід до нього відбувається|походить| в середині кожного бітового інтервалу. Логічному нулю|нуль-індикатору|, таким чином, відповідає позитивний імпульс, логічній одиниці – негативний|заперечний| (або навпаки) в першій половині бітового інтервалу.

В центрі бітового інтервалу завжди є перехід сигналу (позитивний або негативний|заперечний|), отже, з|із| цієї коди приймач легко може виділити синхроімпульс (строб). Можлива тимчасова прив'язка не лише|не тільки| на початок пакету, як в разі|у разі| коди NRZ|, але і до кожного окремого біта, тому втрати синхронізації не станеться при будь-якій довжині пакету.

Ще одна важлива гідність коди RZ – проста тимчасова прив'язка прийому, як на початок послідовності, так і до її кінця. Приймач просто повинен аналізувати, є зміна рівня сигналу протягом бітового інтервалу чи ні. Перший бітовий інтервал без зміни рівня сигналу відповідає закінченню послідовності, що приймається, битий (рис. 3.12). Тому в коді RZ можна використовувати передачу послідовностями змінної довжини.

Мал. 3.12. Визначення зачала і кінця прийому при коді RZ

Недолік коди RZ полягає в тому, що для нього потрібна удвічі більша смуга пропускання каналу при тій же швидкості передачі в порівнянні з NRZ (оскільки тут на один бітовий інтервал доводиться дві зміни рівня сигналу). Наприклад, для швидкості передачі інформації 10 Мбіт/с потрібний пропускна спроможність лінії зв'язку 10 Мгц, а не 5 Мгц, як при коді NRZ (рис. 3.13).

Мал. 3.13. Швидкість передачі і пропускна спроможність при коді RZ

Інший важливий|поважний| недолік|нестача| – наявність трьох рівнів, що завжди ускладнює апаратуру як передавача, так і приймача.

Код RZ застосовується не лише в мережах на основі електричного кабелю, але і в оптоволоконних мережах. Правда, в них не існує позитивних і негативних рівнів сигналу, тому використовується три наступні рівні: відсутність світла, "середнє" світло, "сильне" світло. Це дуже зручно: навіть коли немає передачі інформації, світло все одно присутнє, що дозволяє легко визначити цілісність оптоволоконної лінії зв'язку без додаткових мерів (рис. 3.14).

Мал. 3.14. Використання коди RZ в оптоволоконних мережах