prenos podataka na daljinu-novo-kucies.elfak.ni.ac.rs/rmif/prenos-podatak-februar-2011/pre...prenos...

Prenos podataka – Prenos podataka na daljinu

310

14. Prenos podataka na daljinu

Pojam prenos podataka, ili tzv. komuniciranja podacima (data communication) odnosi se na prenos

informacije sa jednog mesta na drugo u kodiranoj formi. Uobičajeno ovaj prenos se ostvaruje kao serijski. Kod serijskog prenosa u datom trenutku preko jedinstvene veze ili komunikacionog kanala (kao što je telefonska linija) prenosi se jedan bit podatka.U principu i sistemi koji koriste paralelni prenos podataka (jedna žica po bitu n-bitnog podatka) se mogu smatrati kao komunikacioni sistemi za prenos podataka. No veliki broj potrebnih veza, kod ovakvih sistema, ograničava njihovu primenu na relativno kraka rastojanja.Tipičan primer je paralelna magistrala IEEE-488 GPIB projektovana za komuniciranje izmedju sistema (obično su to merno informacioni uredjaji) koji medjusobno nisu više udaljeni od 15 m do 20 m. Kada se vrši prenos podataka na veća rastojanja koristi se jedinstvena veza, a ne veliki broj veza kao što je to slučaj kod IEEE-488 GPIB. Za slučaj da su rastojanja izmedju uredjaja koji komuniciraju velika, ušteda u ceni prenosa biće takodje velika. Kada se, na primer, podaci prenose preko telefonskih linija, serijska komunikacija postaje imperativ, jer korišćenje osam linija za paralelnu predaju jednog bajta podataka je nepraktično, nepouzdano i skupo, tj. besmisleno. Jedna tipična globalna blok šema komunikacionog sistema za prenos podataka prikazana je na slici 14.1. Informacija se prenosi od izvorišta A ka udaljenom odredištu B, preko fizičkog medijuma, konstantnom brzinom. Izvorište je u stanju da, iz konačnog skupa, generiše sekvencu simbola pri čemu svaki simbol karakteriše odredjena verovatnoća pojavljivanja.

Slika 14.1 Globalna blok šema komunikacionog sistema za prenos podataka

Proces prenosa informacije (vidi sliku 14.2) čine sledeće aktivnosti:

1) Izvorišna sekvenca prolazi kroz koder. Koder formatira simbole u specifičan kôd i pridružuje toj sekvenci dodatnu informaciju kojom se vrši provera grešaka do kojih može da dodje u toku prenosa podataka. 2) Informacioni bitovi prolaze kroz kanalni koder. Koder vrši transformaciju signala u cilju ostvarivanja efikasnijeg i pouzdanijeg prenosa. 3) Modifikovani niz podataka prolazi kroz modulator. Modulator konvertuje niz u električni signal kompatibilan sa karkteristikama kanala. 4) Kanal je fizički medijum koji povezuje izvorišnu i odredišnu tačku. U toku prenosa kanal može da unese greške ili da uzrokuje interferenciju signala. 5) Prijemna informacija prolazi kroz demodulator. Demodulator detektuje dolazni signal i ponovo ga konvertuje u povorku bitova. 6) Iz dolazne povorke bitova kanalni dekoder izdvaja informacione bitove. 7) Odredišni dekoder konvertuje bitove u simbole. Pre nego što se vrši prikaz obavezno sledi akcija detekcije/korekcije grešaka.


311

Slika 14.2 Detaljniji (i modifikovaniji) blok dijagram komunikacionog sistema za prenos podataka

Napomena: Zbog jasnijeg uočavanjakoji se tiču procesa transformacije podataka, prijemni i predajni DTE i DCE su nacrtani kao jedinstveni blokovi. Kod realnih sistema oni su fizički dislocirani

Nešto detaljnija, i modifikovanija, šema komunikacionog sistema za prenos podataka u odnosu na one sa slike 14.1 prikazana je na slici 14.2. Pojedini blokovi se mogu grupisati u tri različite grupe: DTE (Data Terminal Equipment), DCE (Data Comunication Equipment), i kanal.

DTE je integrisana celina koju čine tastatura, CRT displej, memorija i upravljačka logika, tj. mikroračunarski sistem. DTE obezbedjuje: formatiranje alfanumeričkih simbola, kontrolu grešaka, podrška radu protokola, i upravljanje tokom podataka. DCE, poznat pod alternativnim imenom modulator/demodulator (tj. modem) vrši neophodnu konverziju izmedju DTE-a i kanala. DCE kontroliše vreme-trajanja signala, definiše propusni opseg predajnog/prijemnog signala, odredjuje nivo snage na predajnoj i definiše prihvatljiv nivo snage na prijemnoj strani, sa ciljem da prenos bude efikasan i pouzdan. Kanal može da se ostvari kablovskom ili radio vezom. Kablovi mogu biti koaksijalni, upredeni, staklovodi, telefonske linije i dr.

Radio putevi mogu biti klasične radio veze, kao i mikrotalasne i satelitske veze. U tekstu koji sledi daćemo nešto više detalja o osnovnim gradivnim blokovima komunikacionog

sistema za prenos podataka.

14.1. Kanali

Fizički kanal predstavlja jedinstveni put za prenos informcije koja se prenosi električnim signalom, ili alternativno opseg frekvencija koji je dostupan za modulisanje specifičnim kôdovima. Propusni opseg kanala, W, definiše se kao razlika izmedju najviše i najniže frekvencije tog opsega. Na primer, opseg korisnih frekvencija u telefonskoj mreži se nalazi u opsegu od 300 Hz do 3400 Hz. Na osnovu prethodnog, propusni opseg kanala je 3100 Hz. Telefonski sistem je projektovan za prenos signala govora, koji su po prirodi analogni. Analogni signal se definiše kontinualnim opsegom amplituda i vrednosti signala u vremenu. Idealni kanal, slika 14.3, u celom frekventnom opsegu, od interesa za prenos, ima ravnu amplitudno frekventnu karakteristiku slabljenja, ( )fA , kao i konstantni fazni pomeraj ( )fΦ .


312

Slika 14.3 Karakteristika idealnog kanala

Gubici signala u prenosu mere se u (dB) i izračunavaju se na osnovu sledećeg izraza

( ) ( )PulPizlog10dBG 10=

gde se snaga P izračunava u vatima. Na primer, ako je predajna snaga 3 W, a prijemna 1,5 W tada su gubici usled slabljenja 3 dB. Fazni pomeraj se definiše kao vremenska razlika izmedju izvorišnog i odredišnog signala, a

uzrokovan je karakteristikama kanala. Fazni pomeraj se meri u radijanima a izračunava se na osnovu sledeće relacije

( ) ωτϕ −=radian gde s/radianf2πω = , a τ je vremenska konstanta.

Telefonske mreže unose kako fazna tako i amplitudna izobličenja. Amplitudna izobličenja posledica su neuniformnog slabljenja signala u propusnom opsegu, a fazna kašnjenja različitim iznosom promene faznog pomeraja u propusnom opsegu (promena faze u propusnom opsegu nije linearna, ili grupno kašnjenje

constdd ≠ωΦ ). Oba tipa izobličenja prikazana su na slici 14.4. Kao što se vidi sa slike 14.4 efekat nelinearnosti ograničava propusni opseg kanala na centralni deo, tamo gde su amplitudna i fazna izobličenja minimalna. Ipak, korišćenjem ekvilizacionih tehnika moguće je smanjiti amplitudna i fazna izobličenja. Ekvilajzer je električna mreža koja ima inverzne karakteristike u odnosu na kanal, tako da kada se ubaci na prenosnom putu koriguje izobličenja.


313

Slika 14.4 Realne karakteristike kanala

Prenos signala kroz kanal prati generisanje šuma. Šum čine slučajni signali, insertovani od strane različitih izvora koji interferiraju sa (korisnim) prenosom podataka i rezultiraju u pojavi grešaka. Uticaj šuma na pojavu greške je veći što je odnos snage signala i šuma manji. Kritični odnos je 3 dB. Drugi, manje željeni, tipovi šuma su impulsni šum i fazni džiter. Impulsni šum je uzrokovan tranzijentnim pojavama, tj. kratkotrajnim amplitudnim smetnjama koje se na prijemnom kraju mogu interpretirati kao podaci (tipični izvori ovih smetnji su DC-DC pretvarači). Smetnje impulsnog tipa imaju uticaj na promenu amplitude i frekvencije prijemnog signala. Fazni džiter je posledica varijacije kašnjenja ili nestabilnosti nosećeg signala, a za posledicu ima slučajne fazne promene koje se od strane prijemnika mogu interpretirati kao fazne promene ulaznog signala. Kombinovani efekti šuma i nesavršenosti kanala odredjuju donju granicu odnosa signal-šum od 10 prema 1, tj. signal/šum od 10 dB, ispod koga kvalitet prijema nije zadovoljavajući. Na slici 14.5, prikazani su tipični oblici impulsnog šuma i faznog džitera.


314

Slika 14.5 Interferencije u prenosnom kanalau

Na osnovu Nyquist-ove teoreme, znamo da kroz bezšumni kanal čiji je propusni opseg ograničen na W Hz možemo da predamo maksimalno 2W simbola/s. Termin baud se koristi kao jedinica za prenos simbola. Jedan baud odgovara brzini prenosa od jednog simbola, ili jednog signalnog dogadjaja, u sekundi. Kod digitalnog sistema, binarna cifra, ili bit, predstavlja najmanju informacionu jedinicu. Zbog ovoga, brzina prenosa simbola se definiše u baud-ima, a brzina prenosa podataka u bitovima u sekundi (bits per second - bps). Ako svaki simbol predstavlja jedinstveni bit, tada brzina prenosa simbola jednaka je brzini prenosa podataka. Ako se simbol definiše sa n bitova, tada brzina prenosa podataka jednaka je brzini prenosa simbola pomnožena brojem bitova n po simbolu. Na osnovu prethodne diskusije zaključujemo da koristeći se kodiranjem možemo efektivno da povećamo brzinu prenosa podataka kroz kanal a da pri tome maksimalna brzina prenosa simbola od 2 W simbola/s bude ograničena. Sledeća relacija definiše odnos izmedju baud-ove i bitske brzine prenosa, u zavisnosti od broja diskretnih nivoa signala, M, koji se mogu preneti kroz kanal.

[ ] ( ) baudMlogbpsbrzinabitska 2 ∗= gde su n2M = i simbolubitovan = .

Na primer, za 2400 baud-a pri prenosu signala sa 16 nivoa, imaćemo bitsku brzinu od

( ) bps9600240016log2 =∗

U opštem slučaju, kroz bezšumni kanal čiji je opseg ograničen na WHz moguće je preneti W2 ∗ simbola u sekundi. To znači da, kod sistema koji koriste više nivovski prenos sa n bitova/simbolu,

maksimalna bitska brzina prenosa po kanalu, R, iznosi:

[ ]bpsnW2R ∗∗=


315

Na slici 14.6, za kanal čiji je propusni opseg 2400 Hz, tabelarno je prikazan odnos bitske brzine i broja bitova/simbolu.

bitova/ simbolu nivoi signala bitska brzina prenosa (bps)

1 2 4800 2 4 9600 3 8 14400 4 16 19200 5 32 24000

Slika 14.6 Karakteristike bezšumnog kanala čiji je propusni opseg ograničen na 2400 Hz.

Prosečni informacioni sadržaj, H , po simbolu za datu poruku se definiše kao

[ ]simbolubitovi

Pi1logP

MIH

N

112i∑

=

∗==

gde su: I - ukupni sadržaj informacione poruke; M - broj simbola u poruci; N - broj jedinstvenih (različitih) simbola na predajnoj strani; iP - verovatnoća pojave svakog simbola u poruci.

U najjednostavnijem slučaju 2N = , predajnik šalje "1" ili "0". Prosečni informacioni sadržaj je dat

relacijom:

[ ]simbolubitovi

P1logP

P1logPH

222

121

∗+

∗=

1H max = što je jednako jedan bit/simbolu dobija se kada je 5.0PP 21 == . U opštem slučaju, ako svi

dostupni simboli imaju istu iP tada izraz za maxH postaje:

( ) ( ) [ ]simbolubitovaNlogNlogN1H 2

n

1i2max =∗

= ∑

=

Efikasno kodiranje poruke definiše se kao odnos prosečnog prema maksimalnom informacionom sadržaju po simbolu.

Kodna redudantnost se definiše kao jedan minus kôdne efikasnosti. Efikasno kodirana poruka koristi maksimalne prednosti komunikacionog kanala. U suštini redudantnost se namerno unosi u poruci sa ciljem da se premoste problemi koji prate efekat generisanja šuma u kanalu. Težnja projektanata je da ostvare dobar balans izmedju efikasnosti i redudantnosti kako bi se postigao optimalan prenos izmedju izvorišta i odredišta. Izvor poruke generiše simbole uniformnom brzinom koja je jednaka r simbola/s. Prosečna brzina prenosa informacije izvorišta, R, data je sledećom relacijom:

[ ] [ ] [ ]s/bitovaHrsimbolu/bitovaHs/simbolarR ∗=∗=

Na osnovu Shannon-ove teormene o šumnom kanalu važi da: "ako se izvor poruke karakteriše brzinom prenosa R i kapacitetom C, i ako je RC, kodirana izvorna poruka se može slati i primati po kanalu bez velike verovatnoće da dodje do grešaka. Ali kada je RC nije mogućno predati i primati poruku bez velike verovatnoće na greške."


316

Shannon-Hartley-ovom teoremom definiše se maksimalan kapacitet šumnog kanala, C, u bitovima/s za kanal sa ograničenim propusnim opsegom od W Hz u prisustvu Gauss-ovog šuma. Kapacitet kanala se definiše u zavisnosti od propusnog opsega kanala W, i odnosa signal-šum, S/N, sledećom relacijom:

[ ]sbitoviNS1logWC 2

+∗=

gde su: S i N srednje snage signala i šuma, respektivno, mereno na ulazu kanala. Primer 14.1 Cilj primera je da ukaže na koncept maksimalnog kanala. Za dati propusni opseg Hz3000G = i 1023NS = odrediti maksimalni kapacitet kanala C

( ) [ ]bps3000010231log3000C 2 =+∗= Maksimalni kapacitet šumnog kanala predstavlja kompromis izmedju propusnog opsega i odnosa signal/šum, i dat je sledećom relacijom:

12NS W

C−=

Na osnovu Primera 14.1 uočavamo da pri odnosu S/N=1023 i za širinu propusnog opsega kanala

W1=3000 Hz moguće je postići kapacitet od 30000 bps-a. Ako se sada S/N udvostruči imaćemo W2=2727 Hz. Na sličan način ako se S/N prepolovi dobićemo W3 =3333 Hz. To znači da pri 100% povećanju odnosa S/N imamo 10% redukciju povećanja W-a, a redukcija od 50% S/N uzrokuje 10% povećanje W-a. Saglasno Nyquist-ovoj teoremi, maksimalna brzina prenosa podataka kroz kanal sa ograničenim propusnim opsegom je ograničena na [ ]ssimbolaW2 ∗ . Nasuprot tome, Hartley-Shannon-ova teorema ukazuje da se kapacitet kanala može ekspandovati povećanjem odnosa S/N.

Veći kapacitet je moguće ostvariti korišćenjem višenivovskog, M-to strukog, kodiranja, gde je M broj mogućih nivoa signala. Ipak, ovaj cilj se ostvaruje po ceni suženja naponskih pragova komparacije koji se odnose na pouzdanu detekciju signala na prijemnoj strani. Zbog toga, ako se broj nivoa povećava, tada i odnos S/N mora da se podesi sa ciljem da se zadrži prihvatljiv procenat bit-grešaka na prijemnoj strani. O efektu kodiranja signala sa M-nivoa na odnos signal/šum ukazuje Primer 14.2. Primer 14.2 Neka je dat kanal sa Hz3000W = . Izračunati maksimalnu brzinu prenosa podataka i potreban odnos

NS za 4i3,2M = . a) ( )2M = ( ) ( ) ( ) bps60002log30002MlogW2C 22 =∗∗=∗∗=

31212NS 2WC

=−=−= ( ) ( ) 8.43log10dBNS 10 == b) ( )3M = ( ) ( ) ( ) bps95003log30002MlogW2C 22 =∗∗=∗∗=

71212NS 3WC

=−=−= ( ) ( ) 5.87log10dBNS 10 == c) ( )4M = ( ) ( ) ( ) bps120004log30002MlogW2C 22 =∗∗=∗∗=

151212NS 4WC

=−=−=


317

( ) ( ) 8.1115log10dBNS 10 == Na osnovu dobijenih rezultata vidimo da se kod sistema sa tri nivoa zahteva odnos signal/šum za 3.7 dB veći od onog kod sistema koji vrši prenos sa dva nivoa. Slično, kod sistema sa četiri nivoa zahteva se 7dB veći odnos NS od sistema sa dva nivoa. Drugim rečima povećanje kapaciteta kanala obavezno prati poećani odnos signal/šum.


318

14.2. Modemi A.Blok šema

Modemi se koriste kada digitalne podatke treba preneti na duga rastojanja ili preko analognih medijuma, kao što je telefonska linija. Reč modem je komponovani termin od pojmova modulator i demodulator. U suštini modem predstavlja uredjaj tipa DCE koji se koristi za konverziju ulaznog serijskog niza binarnih podataka u električni signal pogodan za prenos preko telefonske linije i obratno. To znači da modem mora da obezbedi korektno kodiranje i modulaciju (amplitudnu, frekventnu ili faznu) kako bi rezultantni signal održao (sačuvao) u propusnom opsegu telefonskog kanala od 3000 Hz. Globalne funkcije neophodne za predaju i prijem podataka kod jednog modema prikazane su na slici 14.7.

Slika 14.7 Pojednostavljeni blok dijagram modema


319

B.Način kodiranja

Kodiranje se vrši sa ciljem da se minimizira propusni opseg prenosnog kanala i poboljša detekcija signala. Pre nego što se obavi modulacija primenjuju se dve metode koje se odnose na to kako se ostvaruje kodiranje binarnih podataka sa ciljem da se izvrši ekstrakcija takta iz primljenog signala, poznate kao: ne-samo-taktovana (not self-clocking) - iz primljenog signala nije moguće izdvojiti takt o bitskoj brzini; samo-taktovana (self-clocking) - iz primljenog signala izdvaja se takt o bitskoj brzini.

Shodno prethodnom, postoji veći broj tehnika kodiranja binarnih signala. Ilustracije radi, za binarnu ulaznu sekvencu oblika 10010110, na slici 14.8 prikazani su formati kodiranih podataka najčešće korišćenih tehnika kodiranja.

Slika 14.8 Formati kodiranih podataka

NRZ_L tehnika kodiranja osetljiva je na slabljenje signala kroz kanal, i smetnji tipa komplement

vrednosti koja se prenosi. Obično efekat ovih smetni rezultira u pojavi grešaka. Tehnikom diferencijalnog kodiranja, poznatu kao NRZ_M, minimiziraju se greške na taj način što se podaci kodiraju promenom nivoa, a ne stanja. Svaka jedinica rezultira promenu stanja. (Pored tehnike kodiranja NRZ_Mark postoji i NRZ_Space kod koje jedinica ne uzrokuje a nula uzrokuje promenu nivoa). Kod RZ tehnike kodiranja impuls na polovini bitske ćelije označava logičku jedinicu, a odsustvo impulsa logička nula. Ovo se ostvaruje AND operacijom podataka i taktnog impulsa.


320

Tehnike NRZ_L, NRZ_M, NRZ_S i RZ su ne-samo-taktovane, tj. zahtevaju da se na prijemnoj strani ostvari sinhronizacija takta kako bi se od primljene informacije izdvojio takt.

Kada se NRZ_L kodirani podaci kombinuju sa taktom, koristeći sabiranje po modulu 2 može se postići mogućnost samotaktovanja. Ovaj pristup poznat je kao Mančester kodiranje, a koristi impulse trajanja

2TS u intervalu od SkT do ( ) ST5,0k + (k=0, 1, 2,...) za predstavljanje logičke jedinice, i impulse trajanja 2TS u intervalu od SkT do ( ) ST1k + za predstavljanje logičke nule. U oba slučaja usponska ili opadajuća

ivica impulsa se javlja na sredini perioda ST . Kombinovanjem NRZ_L i NRZ_M kodiranim podacima sa taktom dobijaju se Bifazno_Mark kodirani podaci. Kod bifaznog kodiranja svaka granica na nivou bita karakteriše se promenom nivoa. Logička jedinica se predstavlja dodatnom promenom nivoa na sredini ćelije, a kod logičke nule zadržava se konstantni nivo. (Postoji i Bifazno_Space kodiranje kod koga se prelaz javlja na početku svake periode, logička jedinica se ne karakteriše drugim prelazom a logička nula se predstavlja drugim prelazom na polovini perioda STk , tj. u odnosu na Bifazno_Mark kodiranje oblici impulsa logičke "1" i "0" promene mesta). Alternativno Mančester kôd poznat je i kao Bifazni_L kôd. Kod trećeg samo-taktovanog kodiranja, na slici 14.8 prikazano kao Milerovo, logičkoj jedinici odgovara promena nivoa na polovini perioda STk , a logičku nulu ne prati promena. Kada se u povorci jave dve uzastopne nule promena nivoa se javlja na granici druge nule.

I zbor tehnike kôdiranja ima uticaj na propusni opseg kanala. Neka referentna frekvencija rf odgovara specifičnoj brzini prenosa podataka. Na slici 14.9 prikazana je širina propusnog opsega kanala

(donja, 1f , i gornja, 2f , granična učestanost kanala) kao i metoda ektrakcije takta za sve tehnike kodiranja prikazane na slici 14.8.

kôd 1f 2f takt NRZ_L 0 0,75 rf spoljni NRZ_M 0 0,50 rf spoljni

RZ 0,25 rf 1,0 rf spoljni Mančester 0,20 rf 1,4 rf samo-taktovani

Bifazni 0,50 rf 1,0 rf samo-taktovani Miler 0,10 rf 0,75 rf samo-taktovani

Slika 14.9 Zahtevi za širinom propusnog opsega


321

C.Tipovi modulacije

Modulacija predstavlja proces modifikovanja jednog od parametara referentnog nosioca pomoću digitalnih podataka koje treba preneti u saglasnosti sa odredjenim pravilima. Kada se govori o modemima standardno se koriste sledeći tipovi modulacije: amplitudna (AM), frekventna (FM) i fazna (PM). Današnji modemi koriste jednu ili kombinaciju nabrojanih tehnika modulacije. Karakteristike modema koji koriste jedinstvenu modulaciju prikazani su na slici 14.10.

tip modulacije

bitska brzina prenosa

[bps]

parametar koji se menja

parametar koji ostaje

nepromenljivnapomena

amplitudna AM

5 širina kanala

jednaka bitskoj brzini prenosa

amplituda faza i

frekevncija (konstantni)

• obično se prenose dva nivoa • sistem je jako osetljiv na smetnje • struktura modema nije složena

frekventna FM

1200 propusnost kanala dva puta veća od

bitske brzine prenosa

frekvencija amplituda

• prenos se zasniva na promeni frekvencije, obilno logičkoj nuli odgovara Hz1200f1 = , a logičkoj jedinici Hz2400f2 = . (Dual tone multifrequency – DTMF) • FM tehnika prenosa poznata je kao FSK (frequency shift key) • postoje dve FSK tehnike 1) FSK-NC (FSK-noncoherent)- ne obezbedjuje kontinuitet fazne promene izmedju dva prelaza 2) FSK-C (FSK-coherent)- obezbedjuje kontinuitet fazne promene izmedju dva prelaza

• u principu FSK je znatno manje osetljiva na smetnje od AM • FSK-C u poredjenju sa FSK-NC ima bolje karakteristike jer efikasnije koristi propusni opseg i može da postigne veću brzinu prenosa • struktura modema je srednje složenosti

fazna PM

9600 bitska brzina

može biti jednaka frekvenciji

nosioca (VF nosioca)

faza amplituda i frekevncija

• ova tehnika je poznata kao PSK (phase shift key) • fazne promene izmedju dve vrednosti su funkcija vrednosti podataka na ulazu, logičkoj nuli odgovara faza o0 , a logičkoj jedinici faza od o180 • PSK je manje osetljiva na smetnje • složenost strukture hardvera modema je najveća

Slika 14.10 Karakteristike modema zasnovanih na AM, FM i PM tehnikama


322

Na slici 14.11 prikazani su talasni dijagrami AM, FM i PM modulacionih tehnika.

Slika 14.11 Talasni dijagrami kod modulacionih tehnika

Primer 14.3 Za binarnu poruku 00110100010 koja je NRZ_L kodirana nacrtati talasne dijagrame koji važe za FSK-C i PSK modulacione tehnike

Slika 14.12 Talasni dijagrami

Kvadraturna PSK (QPSK) je modulaciona tehnika kojom se kodira stanje dva uzastopna bita. Termin

dibit ukazuje na činjenicu da se svaki fazni pomeraj kodira sa dva bita, tj. dibit se predstavlja diskretnim faznim pomerajem nosećeg signala. Grupisanje po dva bita rezultira generisanju četiri jedinstvena fazna stava. Na slici 14.13 prikazani su fazno modulacioni dijagrami PSK i QPSK tehnika, a na slici 14.14 definicija PM dibita i talasni oblici za bit oblik 10001101.


323

Slika 14.13 Fazno modulacioni dijagrami

Slika 14.14 Definicija PM dibita i talasni oblici za binarnu sekvencu 10001101

U opštem slučaju, kod M-arne modulacione šeme grupisanjem n bitova predstavljaju se Mlog2 bitova podataka/baud. Konačni izbor M-a predstavlja kompromis izmedju veličine propusnog opsega i odnosa S/N. Kod QPSK, n =2, brzina prenosa podataka je dvaput veća od baud-ove brzine kanala što znači da je propusni opseg dva puta uži. Ipak, veći broj faznih pomeraja efektivno smanjuje prag detekcije prijemnika na promenu faznog stava. To znači da za isti procenat greške kod QPSK, u odnosu na PSK, potreban je bolji odnos signal šum.

MFSK (multiple frequency shift keying) je M-arna FSK šema koja koristi veći propusni opseg. Kod ovog pristupa logičke bit grupe predstavljaju se jedinstvenim ravnomerno rasporedjenim frekvencijama. Kao rezultat koristi se povećan propusni opseg, ali je zahtevani odnos S/N za dati procenat graške (bit error rate - BER) manji. Jedna hibridna šema, kod koje se sa ciljem da se poveća broj stanja signala, kombinuju AM i PM poznata je kao QAM (quadrature amplitude modulation). Na primer, 16-QAM (vidi sliku 14.15) koristi se amplitudne i fazne vrednosti za definisanje 16 jedinstvenih stanja signala. Na ovaj način, kanal sa 2400 baud-a može predavati podatke efektivnom brzinom od bps960024004 =∗ . Na slici 14.16 prikazane su komparativne karakteristike različitih modulacionih šema i njihovih parametara. Naznačeni odnos signal/šum odgovara iznosu bit grešaka od 4101∗ .


324

Slika 14.15 Signali konstelacije 16-nivovskog QAM signala

tip modulacije

n M baud S/N (dB)

AM 1 2 5 14,4 FSK-NC 1 2 300 13,2 FSK-C 1 2 300 11,7

PSK 1 2 600 8,4 QPSK 2 4 600 9,4

16-PSK 4 16 2400 17,6 16-QAM 4 16 2400 15,1

Slika 14.16 Tipovi modulacije podataka

D. Implementacije

Osnovni gradivni blokovi modulatora su elektronski komutatori koji se upravljaju ulaznom povorkom podataka. Tako na primer, na ulaz AM modulatora dovodi se noseći signal Cf koji se prenosi ili ne na izlazu u funkciju vrednosti bitova povorke podataka. Na prijemnom kraju, blok demodulator čine filter propusnik opsega (centralna frekvencija Cf ), detektor envelope i detektor praga (konvertuje envelopu detektovanjem signala u povorku bitova). Na slici 14.17 prikazana je pojednostavljena blok šema AM modema koja se odnosi na predajnu i prijemnu stranu.


325

Slika 14.17 Pojednostavljeni blok dijagram AM modema

Na ulaz FSK modulatora se dovode dva noseća signala, f i ,f koji se selektuju u funkciji individualnih bitova povorke podataka. FSK demodulator ima dva detektora envelope, po jedan za svaki od nosećih signala, iza kojih sledi logika odlučivanja koja ima zadatak da rekonstruiše ulazni niz podataka. Pojednostavljene blok šeme FSK modulatora i demodulatora prikazane su na slici 14.18.

Slika 14.18 Blok šema FSK modulatora i demodulatora

Napomena: FPO-filtar propusnik opsega učestanosti


326

Slika 14.19 Blok dijagram PSK modema

Napomena: OSC-oscilator; NFF-filter propusnik niskih učestanosti

Struktura PSK modulatora prikazana je na slici 14.19a. Faza nosioca 1f selektuje se u funkciji individualnih bitova povorke podataka. Kolo PSK demodulatora, slika 14.19b, čini sinhroni detektor koji je osetljiv na koherentne fazne pomeraje nosećeg signala. Elektroniku sinhronog detektora čine množači i filter propusnik niskih učestanosti. Prijemni signal se koreliše sa dve moguće, lokalno generisane replike nosećeg signala. Nakon toga u lancu obrade sledi logika odlučivanja koja na izlazu generiše povorku bitova. Da bi PSK demodulator radio korektno potrebno je da oscilator u prijemniku bude stabilan i korektno sinhronizovan u odnosu na noseću frekvenciju predajnika 1f .


327

Slika 14.20 Blok šema 16-QAM modema

Napomena: DAC-digitalno/analogni konvertor; ADC-analogno/digitalni konvertor; Σ -vektorski sabirač

Blok dijagram 16-QAM modulatora prikazan je na slici 14.20a. Modulator čine dva DAC modula. Svaki DAC konvertuje stanje specifičnog ulaznog niza u analogni napon. Demodulator čine dva sinhrona detektora i dva ADC modula. Detektori izdvajaju dva nezavisna analogna signala. ADC moduli se koriste za konverziju analognih signala u povorku bitova.


328

14.3. Terminali

Terminali predstavljaju izvorište, odredište, ili izvorište i odredište podataka. Terminale delimo na: (1) jednostavne (dumb terminal) - tastaturno zasnovane primo/predajne jedinice koje preko modema vrše prenos asinhronih podataka ka udaljenoj stanici; (2) pametne (smart terminal) - zasnovane na mikroračunaru u čijem su sastavu tastatura, CRT displej, memorija podataka i ugradjene firmverske funkcije namenjene za: a) editovanje teksta; b) formiranje blokova podataka koji se mogu prenositi sinhrono; i c) proveru ispravnosti prenosa podataka; (3) inteligentne (inteligent terminal) - zasnovane na mikroračunaru koji imaju ugradjene dodatne mogućnosti obrade i korisničko-programibilne funkcije. A. Jednostavni terminali

Funkcionalni blok dijagram jednostavnog terminala prikazan je na slici 14.21. Ključni blok jednostavnog terminala je UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) jedinica. Predajni deo UART-a, Tx, konvertuje ASCII kodiran paralelni podatak u serijski oblik, a njegov prijemni deo, Rx, prima podatke u serijskom obliku, a konvertuje ih u paralelni ASCII kôd. Razmena podataka izmedju DTE-a i DCE-a reguliše se pomoću upravljačkih signala.

Slika 14.21 Blok dijagram jednostavnog terminala

Napomena: UART-asinhroni prijemnik/predajnik (universal asynchronous receiver transmitter)

Terminal je u stanju da podržava sledeća tri komunikaciona načina rada: a) simpleks (simplex) - koristi jedan terminal kao predajni a drugi kao prijemni. Prenos podataka je samo u jednom smeru. b) polu-dupleks (half-duplex) - u datom trenutku jedan terminal deluje kao predajnik (prijemnik) a drugi kao prijemnik (predajnik). Ovo znači da se podaci prenose u oba smera ali ne istovremeno.


329

c) potpuni dupleks (full duplex) - svaki terminal deluje kao predajnik i prijemnik. U ovom slučaju moguć je istovremeni prenos podataka u oba smera.

Rx

Slika 14.22 Komunikacioni način rada

Na slici 22 prikazani su načini povezivanja predajnika, Tx, i prijemnika, Rx, kod sva tri adresna načina rada. A.1 Sinhroni i asinhroni prenos podataka

Stručnjaci iz komunikacija koji se bave prenosom podataka logičke nivoe signala "1" i "0" nazivaju mark i space, respektivno.

Kada se govori o serijskom prenosu podataka neophodno je da se sagledaju principi rada koji se odnose na to:

a) Kako prijemnik odredjuje kada počinje i kada prestaje prenos podataka? b) Kako se odredjuje trenutak u toku koga se uzorkuje stanje na liniji sa ciljem da se detektuje nailazak "1" i "0"? c) Kakve složenosti su kola za serijski interfejs i da li postoje LSI i VLSI komponente za tu namenu?

Prethodne dve stavke, a) i b), kao i ostale druge važne, rešavaju se korišćenjem definisanih pravila

koja se nazivaju protokoli. U opštem slučaju postoje dva osnovna metoda za prenos podataka: asinhroni i sinhroni.

Asinhrone komunikacije - podaci se predaju nezavisno jedan od drugog. Podaci koji se prenose nazivaju se znaci, pa zbog toga za asinhroni prenos kažemo da se vrši na principu znak-po-znak. Vremenski interval izmedju dva susedna znaka može biti promenljiv. Vreme predaje jednog znaka čine do osam bitova podataka, opciono jedan bit parnosti i dva dodatna bita za "uokviravanje" svakog znaka, start bit i stop bit. Opciono je moguće koristiti 1,5 ili dva stop bita. Na slici 14.23a prikazan je talasni oblik asinhrone predaje jednog znaka. Svaki bit se predaje u jednoj vremenskoj jedinici koja je recipročna bitskoj brzini. Kada se prenos podataka ne vrši, signal se nalazi u stanju "mark". Na početku svakog znaka signal se postavlja u stanje logičke "0" u vremenu od jednog bitskog intervala. Ovo se zove start bit i on obezbedjuje vremensku referencu za prijemnik. Nakon start bita, svaki bit podataka se generiše na liniji u trajanju od jednog bitskog intervala. Prenos obično počinje LS bitom podataka. Broj bitova koji se prenosi je uobičajeno 7, što odgovara ASCII kôdu, ali se takodje pet, šest ili osam bitova mogu koristiti. Parnost se može koristiti za detekciju greške, a kada se koristi, bit parnosti sledi zadnji bit podatka. Nakon svih bitova podatka i bit parnosti, predaje se jedan ili više stop bitova. Stop bit obavlja dve funkcije. Kao prvo, garantuje minimalno vremensko kašnjenje izmedju dva znaka. Ovo kašnjenje je bilo od izuzetne važnosti kod starih teleprintera jer period od dva stop bita je bio dovoljan da se kôdni valjak uvek vrati na startnu poziciju pre početka prijema novog znaka. Današnji savremeni elektronski sistemi zahtevaju jedan stop bit. Druga važna funkcija stop bita je sledeća: - U kombinaciji sa start bitom garantuje da će se javiti prelaz sa stanja "mark" na stanje "space" na početku prenosa svakog znaka.


330

Slika 14.23 Asinhroni prenos

Napomena: 1)Uslovno je usvojeno na slici14.20 a da se predaju podatak od osam bitova čija je vrednost 19H i da se u prenosu koristi parna parnost (iscrtano punm linijom); 2) Pasivni vremenski interval izmedju dva znaka na slici 14.20 b je promenljiv

Za predajnik, generisanje serijskog niza bitova, čiji je format prikazan na slici 14.23, je relativno jednostavan zadatak. No, ovakav zaključak ne važi i za prijemnik. Kod asinhronog prenosa predajnik i prijemnik mora da odredi lokaciju svake bitske granice. Obično takt prijemnika je 16, 32 ili 64 puta veći od bitske brzine. I pored toga, što je ovaj takt asinhron u odnosu na predajni takt, frekvencija prijemnika treba da bude bliska taktnoj frekvenciji predajnika. Da bi pouzdano odredio početak prve bitske ćelije prijemnik čeka na prelaz tipa mark-na-space, koji se dešava na početku start bita. Prijemnika ima ugradjenu logiku pomoću koje detektuje pogrešan start. Detekcija pogrešnog starta se vrši na sledeći način: - Na sredini intervala start bita vrši se provera da li je stanje "space", tj. da li je prenos počeo. Na ovaj način se vrši detekcija, tj. eliminacija, kratkotrajnih smetnji. Nakon korektne detekcije starta prvi i naredni bitovi se uzorkuju na sredini bitskog intervala. Na osnovu prethodnog jasno je da se sinhronizacija prijemnika izvodi na osnovu ivice koja odredjuje početak start bita. Nakon ovog trenutka, lokacija bitske ćelije zavisi od toga kolika je frekvencija predajnog takta bliska frekvenciji prijemnog takta. Imajući u vidu da se podaci uzorkuju na sredini bitskog intervala dozvoljena je odredjena tolerancija koja ne sme biti veća od 3% do 5%. Da bi obezbedili razliku izmedju predajne i prijemne taktne frekvencije ne veće od 3%, svaka taktna frekvencija mora biti u granicama od 1,5%. Današnji sistemi koriste jedinke kvarca čija je tačnost bolja od 0,1%.

S obzirom da se sinhronizacija svakog znaka izvodi posebno, izmedju dva znaka (slika 14.23b) postoji proizvoljan pasivni period, tj. period kada se linija nalazi u stanju "mark". Specijalan slučaj asinhrone komunikacije je izohroni prenos. Izohroni prenos je identičan asinhronom sa izuzetkom što su frekvencije na prijemnoj i predajnoj strani jednake. Ovo znači da ako se želi pouzdan rad predajni i prijemni taktovi moraju biti sinhronizovani. Sinhronizacija se postiže primenom PLL tehnike, koja iz prijemne povorke impulsa izdvaja taktnu frekvenciju i sinhronizuje prijemni oscilator.

Sinhrone komunikacije - kod ovog tipa prenosa znaci se grupišu i prenose u blokove. Sa ciljem da se očuva sinhronizacija svakom bloku podataka se pridružuju znaci za sinhronizaciju, SYNC. Na slici 14.24a i 14.24b prikazani su tipični formati kod sinhronog prenosa. Kod oba formata polje podataka predstavlja blok podataka kome se pridružuje dodatna informacija i formira tzv. okvir (frame).

Kao što smo već uočili kod asinhronog prenosa propusnost prenosnog kanala se ne koristi meksimalno, jer u najboljem slučaju dva od deset bitova (start i stop) ne nose korisnu informaciju. Zbog ovoga 20% od propusnosti komunikacionog kanala se gubi. Teoretski, efikasnost se može povećati ako se izmedju svakog para start i stop bita prenosi veći broj korisnih bitova. Na žalost, kako je sva sinhronizacija


331

zasnovana na prvom prelazu, bilo kakva graška u taktnoj frekvenciji akumuliraće se sve dok se ne javi naredna start-stop sekvenca. Zbog ovog efekta taktne frekvencije predajnika i prijemnika moraju biti veoma bliske. Drugi problem kod asinhronih komunikacija je taj da prenos pri velikim bitskim brzinama nije preporučljiv. Naime, od prijemnika se obično zahteva da radi sa taktnom učestanošću koja je u najmanju ruku 16 puta veća od bitske brzine. Da bi se uspešno rešili ovi problemi koriste se sinhrone komunikacije, kod kojih se takt predaje zajedno sa podacima. Takt se može prenositi kao poseban signal, ili da se koriste samo-sinhronizirajuća kola koja izdvajaju takt na osnovu primljenih podataka. Nezavisno od toga koja se tehnika koristi kao rezultat imamo da prijemnik i predajnik rade sa istim taktom. Na ovaj način eliminiše se potreba za prenosom start i stop bitova, kao i da takt prijemnika bude n puta veći od bitske brzine. Krajnji efekat je takav da su sinhrone komunikacije pogodnije za rad pri većim bitskim brzinama prenosa.

Slika 14.24 Sinhroni formati kod prenosa podataka

Napomena: SYN (synchronization) -znak za sinhronizaciju; SOH (Start Of Header)-početak zaglavlja; Header-zaglavlje; STX (Start of Text)-početak teksta; ETX/ETB (End of Text/End of Block)-kraj teksta/kraj bloka; CHECKSUM – informacija oproveri ispravnosti poruke

Na slici 14.24a prikazan je format okvira za IBM-ov bisinhroni protokol. Početak okvira karakterišu dva SYN znaka. Iza kojih slede znaci SOH i Header koji sa sobom nose adresnu i upravljačku informaciju. Polje podataka se sastoji od celobrojnog broja znakova. Polje podataka je uokvireno izmedju STX i ETX znakova. Znak ETB zamenjuje ETX kada se u okviru velikog bloka podataka predaje zadnji okvir. Polje CHECKSUM dužine je dva bajta i koristi se za detekciju grešaka u prenosu. Sinhroni protokoli ovog tipa, kod koga gradivni blokovi okvira predstavljaju znaci zovu se znakovno-orijentisani protokoli (character oriented protocols - COP). U principu COP-ovi nisu pogodni za prenos bit orijentisane informacije kao što su bit mapirane slike u računarskoj grafici. Ovaj problem se uspešno rešava bit orijentisanim protokolima (bit oriented protocols - BOP). Na slici 14.24b prikazan je format okvira jednog tipičnog BOP-a kao što je HDLC (High Level Data Link Control). Kod HDLC-a okvir počinje i završava specijalnim bit oblikom koji se zove marker (flag). Iza prvog markera sledi polje adresnih bitova (adrese odredišta i izvorišta), polje upravljačkih bitova (ukazuje da li je poruka tipa komande ili su to korisni podaci), i polje bitova podataka promenljive dužine. Kraj okvira čine polja CHECKUM (koristi se za detekciju greške u prenosu), i marker kraja. Primer 14.4 Kanal propusnog opsega kHz3 kod koga je dB21.128NS = ima teoretski kapacitet kanala

abps21000C −= . Korišćenjem ASCII kodiranim podacima rezultiraće informacionom sadržaju od simbolu/bitova7H = Maksimalna brzina prenosa simbola s/simbola3000HCr == . Interval bitske

ćelije pri bps21000 iznosi s6.47 µ . Svaki znak koji se predaje čini bitni7 − kôd, Start i Stop bitovi, i bit parnosti, što ukupno čini 10 bitova. To znači da prekoračenje usled asinhronog formata kod prenosa podataka rezultiraće u 30 % redukciji od maksimalne brzine u prenosu simbola.


332

B. Pametni terminal

Pametni terminal je mikroprocesorski zasnovana jedinica koja podržava prenos sinhronih i asinhronih formata podataka. Blok šema pametnog terminala prikazana je na slici 14.25.

Slika 14.25 Blok šema pametnog terminala

Celokupnim radom sistema upravlja mikroprocesor. CRT prikaz se koristi za editovanje i vizuelni prikaz predatih/primljenih podataka. Tastatura je namenjena za unos podataka i operatorsko-upravljačkih funkcija. U ROM-u su upisani programi i tabele pretraživanja radi konverzije podataka iz jednog kôda u drugi (ako je to potrebno). RAM se koristi kao bafer za privremeno čuvanje podataka. USART (univerzalno sinhrono-asinhroni prijemnik i predajnik) koristi se za manipulisanje sa podacima (vrši konverziju podataka iz paralelni u serijski format i obratno) i protokolima.

14.4. Interfejs terminala i DCE-a

Interfejs terminala i DCE-a definisan je EIA (Electronic Industries Association) standardima. Postoji veći broj standarda kojima se definišu načini komuniciranja podacima. Razmotrićemo prvo one standarde koji se odnose na fizički nivo.Ovim standardima se specificiraju naponski nivoi signala za prenos bitova sa jednog mesta na drugo. Standardi višeg nivoa, kao što su Bisync, HDLC i dr, kojima se definišu bitovi kao paketi informacija uključujući greške za proveru ispravnosti prenosa i drugih upravljačkih funkcija, biće kratko razmatrani kasnije.

Tipovi predaje podataka - najčešće prenos podataka izmedju integrisanih kola (IC-ova) lociranih na istoj štampanoj ploči (PCB), IC-ovi locirani na različitim PCB-ovima ili izmedju dva uredjaja koja se nalaze blizu jedan drugom vrši se direktno. Kod ovakvih rešenja veze izmedju IC-ova su kratke a takodje moraju se preduzeti specijalne mere kako bi se obezbedila adekvatna margina na šum i eliminisale višestruke refleksije signala na prenosnim linijama. Drugim rečima, postoje faktori koji ograničavaju direktnu pobudu dugačkih prenosnih linija pomoću standardnih IC-ova. Najvažniji medju njima je nivo šuma. Najčešći oblici šuma su brum, ili indukovane smetnje. Veliki broj specijalizovanih IC-ova je razvijen da se uspešno reši ovaj problem. Tehnike koje se koriste zasnivaju se na : ne-balansiranom prenosu (single ended transmission), i balansiranom prenosu (differental (balanced) trasmission). Kod oba načina pobuda može biti strujna ili naponska. Veliki broj IC-ova je dostupan za nebalansiran prenos podataka po liniji. Neka od ovih kola su opšte namene, a druga su projektovana za specifične industrijske standarde. Prednosti ne-balansiranog prenosa su jednostavnost i niska cena implementacije. Naime, kod nebalansiranog prenosa potrebna je jedna linija po signalu i zbog toga je ovaj prenos pogodan za paralelne komunikacije, gde se zahteva veliki broj veza. Tipični primeri su paralelni port za štampač, ili serijski komunikacioni port sa velikim brojem


333

handshake signala kod PC-a. Cena kabliranja je zaista mala (koriste se ribbon kablovi). Za duža rastojanja, ili u ambijentalnim uslovima kada dolazi do indukcije smetnji (šum), poželjno je koristiti kablove sa izvedenim oklopljavanjem čija je cena znatno viša od trakastih. Glavni nedostatak ne-balansiranog prenosa je imunost na smetnje. S obzirom da žice koje povezuju mase oba uredjaja formiraju deo sistema, razlike u potencijalima ili prelazne naponske pojave dovode do degradacije signala. U suštini dolazi do pogrešnog okidanja. Preslušavanje na višim frekvencijama, koje je posledica kapacitivne ili induktivne sprege, takodje može biti kritično. Kapacitivna sprega je dominantnija pri višim frekvencijama signala jer se kapacitivna reaktansa smanjuje. Impedansa ili završna impedansa linija izmedju kojih postoji sprega odredjuje da li će biti dominantna električna ili magnetna sprega. Ako je impedansa linije visoka tada kapacitivno opterećenje je veliko. Alternativno, ako je impedansa linije mala, serijska impedansa posmatrano sa aspekta indukovanog napona je takodje mala, a to obezbedjuje uslove za idukciju velikih struja. Svi nabrojani problemi ograničavaju rastojanje i brzinu pouzdanog rada kod nebalansiranog prenosa. Na slici 14.26a prikazani su prednosti i nedostaci ne-balansiranog prenosa, a na slici 14.26b odgovarajuća interfejs kola.

PREDNOSTI NEDOSTACI • niska cena • jednostavna implementacija-broj veza je minimalan

• šum i preslušavanje • smetnje usled različitih potencijala mase uredjaja koji se direktno povezuju • uredjaji koji se povezuju medjusobno su kratko udaljeni (< 20 m) • koaksijalnim i oklopljenim kablovima može se poboljšati imunost na šum, ali je cena kabliranja znatno viša

a) prednosti i nedostaci nebalansiranog prenosa

b) interfejs kola kod nebalansiranog prenosa

Slika 14.26 Karakteristike nebalansiranog prenosa Napomena: EMI-elekromagnetna interferencija

Mogućnost prenosa podataka sa jedne lokacije na drugu bez greške iziskuje imunost na šum. Kada su brzine prenosa podataka velike i u uslovima kada je šum veliki, diferencijalni prenos ima prednost u odnosu na ne-balansirani, jer je imuniji na interferentne smetnje. Interfejs kola balansiranog prenosa, slika 14.27, čine: (a) generator sa diferencijalnim izlazima; i


334

(b) prijemnik sa diferencijalnim ulazima.

Slika 14.27 Interfejs kola kod balansiranog prenosa

Napomena: Vcm- naponska razlika izmedju potencijala mase prijemnika i prijemnika (common mode voltage)

Osnovna pretpostavka da je balansirani prenos imuniji na šum zasniva se na ideji da se: - Šum i ostale interferntne smetnje indukuju u obe žice prenosne linije na isti način tako da je naponska razlika, usled njihovog uticaja, izmedju oba voda uvek nula. Zbog mogućnosti da diferencijalni pojačavač potisne zajednički napon na oba njegova ulaza uticaj šuma i ostalih interfernetnih smetnji biće eliminisan. Naime, dolazi do potiskivanja:

1) preslušavanja od susednih signalnih linija; 2) bruma, tj. prisustvo napona od 50 Hz na oba ulazna voda; 3) prisustvo kratkotrajno indukovanih smetnji od spoljnjeg okruženja (rad motora) i dr.

Korišćenjem upredenih kablova u kombinaciji sa korektnim završetkom linije izbegavaju se refleksije, a time se ostvaruju uslovi za brzi prenos podataka s/MBit10≈ na rastojanju do 1000 m.

No treba istaći da balansirani prenos ima i svoje nedostatke. Kao prvo, koriste se kompleksnija i skuplja kola. Drugo, da bi se ostvario brži prenos podataka neophodno je poznavati karakter impedanse linije, a to znači da bi se izbegle refleksije na liniji potrebno je linije na kraju završiti karakterističnom impedansom. Treće, umesto jeftinih trakastih kablova treba koristiti skuplje upredene kablove. Na slici 14.28 u sažetoj formi su prikazane prednosti i nedostaci difernecijalnog prenosa podataka.

PREDNOSTI NEDOSTACI • visok stepen potiskivanja napona na

zajedničkim krajevima(bruma) • visok stepen redukcije šuma koji potiče od

spoljnih izvora šuma (RFI smetnje) • slaba osetljivost na preslušavanje od ostalih

signalnih linija • velika brzina prenosa (≈ 10 MBita/s) • veća dužina prenosnih linija (do 1000 m)

• ugradnja kompleksnijih kola • instaliranje upredenih kablova je

preporučljivo • veća cena

Slika 14.28 Prednosti i nedostaci balansiranog prenosa

14.5. Standardi fizičkog nivoa

Standardi fizičkog nivoa od interesa za izučavanje su: EIA 232, RS422, RS 423, RS 485 i IEEE 1394.


335

A. EIA/TIA 232

EIA 232, ili RS 232 (Recomended Standard 232), definisan je u ANSI (American National STANDARD Institution) specifikaciji kao: Interfejs izmedju DTE, i DCE koje koriste razmenu podataka u binarno serijskom obliku. Standard koristi tehniku ne-balansiranog serijskog prenosa i definiše skup pravila za razmenu podataka izmedju uredjaja zasnovanog na računaru, kao što je DTE i modema kakav je DCE. U proteklom periodu standard je evoluirao, a njegova zadnja verzija je "E" čija je revizija ozvaničena jula 1991. godine. Standard je poznat kao EIA/TIA 232-E, gde su EIA odnosi na Electronis Industries Association, a TIA na Telecommunications Industri Association.

PARAMETAR EIA 232 RS 423-A RS 422-A RS 485

način rada ne balansirani ne balansirani diferencijalni diferencijalni broj drajvera i prijemnika 1 drajver

1 prijemnik 1 drajver

10 prijemnik 1 drajver

10 prijemnik 32 drajvera

32 prijemnika maksimalna dužina kabla [m] 15 1200 1200 1200 maksimalna brzina prenosa podataka [bps] 20 k 100 k 10 M 10 M

maksimalni napon na zajedničkim krajevima [V] + 25 + 6 6 do –0.25 12 do –7

drajverski izlazni signal

izlaz drajvera [V]-min neopterećen ± 5 ± 3,6 ± 2 ± 3,6

izlaz drajvera [V]-max opterećen ± 15 ± 6 ± 5 ± 3,6

opterećenje drajvera [ Ω ] 3 k – 7 k 450 (min) 100 (min) 60 (min) ''slew rate'' drajvera [ sV µ ] 30 (max) spoljna kontrola n.d. n.d. izlazna struja kratkog spoja graničana vrednost struje (mA) 500 na Vcc 150 na GND 150 na GND 150 na GND

200 na –7 ili 12 V izlazna otpornost drajvera [ Ω ]

uključeno napajanje n.d. n.d. n.d. 12 k

stanje visoke impedanse [ Ω ]

isključeno napajanje 300 60 k 60 k 12 k

ulazna impedansa prijemnika [ Ω ] 3 – 7 k 4 k (min) 4 k (min) 12 k (min)

osetljivost prijemnika [V] ± 3 V ± 0,2 ± 0,2 ± 0,2 opseg ulaznog napona prijemnika [V] ± 15 ± 12 ± 7 -7 do 12V

Slika 14.29 Električne karakteristike EIA standarda

Napomena: n.d. –podatak nije dostupan

EIA/TIA 232-E kao standard se najčešće koristi za prenos podataka na kraća rastojanja i za srednje brzine prenosa. Standardom se definiše maksimalna brzina prenosa podataka od 20 kbps-a. (Danas postoje


336

softverske aplikacije kod kojih je ova brzina reda 200 kbps-a, ali one nisu deo standarda). Kod revizije "C' ovog standarda definiše se maksimalna dužina linije od 15 m, ali se ne definiše tip kabla i dozvoljeno kapacitivno opterećenje linijskog drajvera. Kod revizije "D" i "C" preciznije je definisana dužina linije i kapacitivno opterećenje. Maksimalno kapacitivno opterećenje je 2500 pF što odgovara dužini kabla od 15-20 m. EIA/TIA-232 istovremeno predstavlja električni i funkcionalni standard, jer specificira električne nivoe koji se koriste za predstavljanje "1" i "0" kao funkcija svakog signala u interfejsu.

Slika 14.30 Osnovne karakteristike para predajnik-prijemnikkod EIA-232

Na slici 14.29 prikazane su osnovne električne karakteristike EIA/TIA-232, zajedno sa karakteristikama ostalih standarda opisanih kasnije u ovoj sekciji. Sva kola u saglasnosti sa EIA 232 generišu bipolarne naponske signala koji na pinu konektora ne treba da premaše V25± . Bilo koji pin mora da bude u stanju da izdrži kratak spoj bez permanentnog oštećenja ka bilo kom drugom pinu. Svaka linija treba da ima minimalno opterećenje od Ωk3 , a maksimalno od Ωk7 što je obično deo prijemnog kola. Logička "0" se predstavlja pobudnim naponom izmedju +5 V i -15 V, a logička "1" izmedju -5 V i -15 V. Na prijemnom kraju naponska razlika izmedju +3 V i +15 V predstavlja "0" a razlika izmedju -3 V i -15 V logička "1". Naponska razlika izmedju V3± nije definisana i nalazi se u prelaznoj oblasti. Maksimalni faktor košenja signala na izlazu drajvera je sV30 µ . Ovo ograničenje je u vezi sa preslušavanjem izmedju provodnika u višežilnom kablu. Što je veće vreme porasta/opadanja ivice signala veće je i preslušavanje. Postoje ograničenja koja se odnose na maksimalno dozvoljeni napon koji se može javiti na zajedničkim krajevima. Maksimalna brzina prenosa podataka je 20kbps-a. Najviša standardna brzina prenosa koja se koristi je 19,2 kbps-a, a najčešće korišćene brzine su 300, 1200, 2400, 4800, 9600 i 19200 bps-a. Na slici 14.30 prikazane su osnovne karakteristike para predajnik-prijemnik standarda EIA 232.

Na tržištu su dopstupna različita integrisana kola tipa prijemnik i predajnik koja se koriste za konverziju TTL nivoa u EIA 232 i obratno. Najčešće korišćeni par je 1488 četvorostruki drajver i 1489A


337

četvorostruki prijemnik. Na slici 14.31a prikazan je izgled IC drajvera 1488. Naponi napajanja kola mogu biti od V9± do V15± . Samo su ulazi po nivou TTL kompatibilni, dok amplituda izlaznog napona zavisi od veličine napona napajanja. Izlazni "slew rate" drajvera je veći od onog koji je dozvoljen standardom. Da bi se usporili prelazi signala, posebno kada je dužina kabla kraća, povezuje se kondenzator od pF300~ sa izlaza prema masi (cilj je da se dobije "slew rate" od sV30 µ ). Kapacitivnost kabla zavisi od konstrukcije ali je u najvećem broju slučajeva reda 50-120 pF/m. Kada su kablovi duži linija se dodatno ne opterećuje kondenzatorom prema masi. Izgled logičke šeme četvorostrukog prijemnika 1489A prikazan je na slici 14.31b. Kada ulaz kontrola odziva (Response Control) nije povezan prag okidanja na visoko je 1,95 V, a na nisko 0,8 V. To znači da za pobudu prijemnika nisu potrebni negativni naponi. Povezivanjem otpornika izmedju ulaza Response Control i pozitivnog ili negativnog napona napajanja pragovi okidanja se mogu menjati. Na slici 14.31c prikazana je jedna tipična sprega predajnika i prijemnika kod EIA 232. Postoje i CMOS verzije drajvera (1488) i prijemnika (1489A) koje se koriste kod onih aplikacija gde je potrošnja kritična. CMOS drajveri se obično napajaju sa V5± , a izlazna amplituda je V4± . I pored toga što oni ne ispunjavaju specifikacije standarda EIA 232, kao rešenje su pogodna za kraća rastojanja i kada je nivo šuma relativno mali.


338

Slika 14.31 Integrisani drajver 1488 i prijemnik 1489 kod EIA

Standardan EIA 232 pored električnih aspekata specificiraju se funkcije, broj pina i grupa signala koja čini kompletan interfejs. Na slici 14.32 prikazana je lista ovih signala. Oficijalne oznake EIA signala retko se koriste. Prvo slovo kod EIA deklarisanih signala označava tip signala: A za masu, B za podatke, C za upravljačke signale, D za takt. Pored primarnog kanala za podatke postoji i sekundarni. Kola sekundarnog kanala karakteriše prefiks S ispred imena. Drugo slovo imena se odnosi na tip signala, počevši od A kao najvažniji. Imajući u vidu da se deklaracija sa slovima teško pamti, uvedeni su mnemonici. Kod 25-pinskog EIA konektora definisano je samo 20 signala. Minimalni skup čine TxD, RxD i signal mase. Kod najvećeg broja jednostavnih aplikacija ovi signali su jedino potrebni.

broj pina na konektoru EIA oznaka mnemonik izvorište opis

1 AA Protective ground (shield) 2 BA TxD DTE Transmitted data 3 BB RxD DCE Received data 4 CA RTS DTE Request to send


339

5 CB CTS DCE Clear to send 6 CC DSR DCE Data set ready 7 AB Signal ground (common return)

8 CF DCD DCE Received line signal detector (carrier detected)

9 Reserved for testing 10 Reserved for testing 11 Reserved for testing

12 SCF DCE Secondary received line signal detector

13 SCB DCE Secondary clear to send 14 SBA DTE Secondary transmitted data

15 DB DCE Transmitter signal element timing

16 SBB DCE Secondary received data 17 DD DCE Receiver signal element timing 18 Unassigned 19 SCA DTE Secondary request to send 20 CD DTR DTE Data terminal ready 21 CG DCE Signal quality detector 22 CE RI DCE Ring indicator

23 CH or CI DTE or DCE Data signal rate selector

24 DA DTE Transmitter signal element timing

25 Unassigned

Slika 14.32 Imena signala kod EIA 232 Napomena: Opis signala je dat na engleskom jeziku jer se govori o izvornom standardu

Najčešće korišćene linije su par "handshake" signala RTS i CTS. RTS (Request To Send) je izlaz DTE-a, a CTS (Clear To Send) izlaz DCE-a. Kada DTE želi da preda podatak on prvo aktivira RTS i čeka potvrdu na CTS. Ovi signali se koriste od strane polu-dupleks modema za upravljanje smerom prenosa. DTE (računar ili terminal) aktivira RTS kada želi da preda podatak, a DCE (modem) komutira smer komunikacionog kanala. Kada je modem spreman za predaju, on aktivira CTS, i računar tada može da predaje. To znači da CTS ukazuje na stanje komunikacionog kanala. Kod modema koji rade u punom-dupleksu, ili veza gde ne postoje modemi, na mestu DCE-a u kablu se kratko spajaju RTS i CTS, tako da se CTS automatski potvrdjuje kada se aktivira RTS.

Drugi par "handshake" signala je DTR (generiše ga DTE) i DSR (generiše ga DCE). Ovaj par signala ukazuje na spremnost/nespremnost uredjaja (DTE, DCE) a ne kanala kao što je bio slučaj sa parom CTS/RTS. Na primer, DSR se aktivira uvek kada je modem uključen na napajanje. DTR se koristi za upravljanje modemom. Signal na pinu 8, nazvan DCD predstavlja izlaz modema koji ukazuje da je primljen tonski nosilac koji predaje drugi modem.

Signal na pinu 22, nazvan RI je aktiviran kada je prisutan signal poziva (zvonjenje kod telefona). Računar nakon prijema većeg broja impulsa RI aktivira DTR i predaje komandu modemu da se odazove na poziv. Na žalost standard EIA 232 ne garantuje da će bilo koja dva uredjaja povezana pravilima standarda raditi korektno iz prostog razloga što jedan mora raditi kao DTE a drugi kao DCE. Naime ako se oba uredjaja povežu kao DTE ili DCE oba će prenositi po istim linijama tako da prenos neće biti moguć. Najveći broj


340

uredjaja koristi DTE interfejs i koriste "null" modem kao sredstvo za komunikaciju, bez posrednika tipa DCE (slika 14.32a). Na slici 14.32b prikazan je način realizacije kabliranja kod "null" modema. Druga karakteristična situacija se javlja kada je potrebno ostvariti direktnu vezu izmedju računara i uredjaja bez korišćenja "handshake" signala. Problem povezivanja se ostvaruje načinom izvodjenja kabliranja kako je to prikazano na slici 33.

Slika 14.33 Povezivanje "null" modema

Slika 14.34 Povezivanje kod EIA 232 kada se ignorišu "handshake" signali

B.Balansirani prenos podataka

Interfejs kola za balansirani (diferencijalni) prenos podataka čine generator sa diferencijalnim izlazima i prijemnik sa diferencijalnim ulazima. Pod uslovom da se bilo koja smetnja (šum), na isti način, indukuje na obe prenosne linije (žice), naponska razlika izmedju ova dva voda biće uvek nula. Zbog osobina diferencijalnog pojačavača da potiskuju napon na zajedničkim krajevima smetnje će biti eliminisane. Naime, biće eliminisano: (a) preslušavanje zbog prenosa signala na susednim signalnim linijama; (b) smetnje, zbog razlike potencijala masa prijemnika i predajnika (pod uslovom da ove ne premaše iznos napona napajanja prijemnika); (c) spoljno indukovane smetnje, koje se javljaju zbog rada velikih potrošača kao što su električni motori, grejači i dr. Korišćenje upredenih kablova u kombinaciji sa korektnim


341

završetkom linije karakterističnom impedansom izbegavaju se refleksije i obezbedjuje brzi prenos podataka od 10 Mbit/s za kablove dužine do 1000 m.

Naravno, pored nabrojanih prednosti postoje i nedostaci. Kao prvo, interfejs kola su složenije konstrukcije i skuplja. Drugo, kod brzog prenosa podataka neophodno je u cilju eliminacije refleksije, obezbediti korektni završetak linije karakterističnom impedansom. I na kraju, potrebno je koristiti širmovane upredene višežilne kablove čija je cena visoka. EIA - RS 422 i EIA - RS 485 su dva poznata standarda koja se koriste za balansirani prenos podataka. Osnovne njihove razlike prikazane su na slici 14.35.

Slika 14.35 Uporedne karakteristike RS 422 i RS 485

B.1 RS 422

Kao što smo već naglasili važna prednost diferencijalnog prenosa je njegova imunost (u okviru granica) na smetnje koje se mogu javiti zbog potencijalne razlike izmedju masa predajnika i prijemnika. Kada su predajnik i prijemnik dosta udaljeni naponska razlika izmedju njihovih masa može značjno da varira. Kod nebalansiranog prenosa, bilo kakva promena naponske razlike izmedju masa predajnika i prijemnika može uzrokovati da važeći naposki nivoi na predajnoj strani budu nekorektni na prijemnoj strani. Kod diferencijalne predaje napon mase je irelevantan u odnosu na logičko stanje signala jer je za prijemnik važna samo naponska razlika izmedju dva signala. Naravno da postoje i granice. Naime, naponske razlike ulaznih signala u odnosu na masu ne smeju preći plus/minus napona napajanja.


342

Slika 14.36 Maksimalna brzina prenosa podataka kod RS 422

Napomena: Korisiti se upredeni kabl čija je kapacitivnost mpF50 , na prijemnoj strani završen karakterističnom impedansom od Ω100

Na slici 14.36 prikazan je odnos izmedju brzine prenosa podataka i maksimalne dužine kabla kod RS

422.Analizirajući sliku 14.36 uočavamo tri karakteristična dela. Kod brzine prenosa manjih od 90 kbps ograničavajući faktor predstavljaju otporni gubici u kablu. Upredeni kabl dužine oko 1,2 km dijametra 0,6 mm završen karakterističnom impedansom od Ω100RS = unosi slabljenje naponskih nivoa od 60dB. Iznad 90 kbps-a ograničavajući faktor ima kapacititivni efekat kabla, tj. njegov uticaj na brzinu promene usponske i opadajuće ivice impulsa. Nagib ove krive zavisi od kapacitivnosti kabla. Po kablovima dužine do 12 m mogu se koristiti brzine prenosa do 10 Mbps-a. U delu karakteristike označen sa I brzina prenosa je ograničena brzinom promene usponske/opadajuće ivice impulsa, rt , na izlazu generatora, tj. br t1,0t ∗≤ . Ključne karakteristike standarda RS 422 prikazane su na slici 14.29.

Veoma često kod sistema koji rade u industrijskim okruženjima, gde postoje veliki potrošači naizmeničnog napajanja, mogu da se jave razlike u potencijalima masa koje premašuju dozvoljeni ulazni nivo na zajedničkim krajevima za RS 422 prijemnika. Problem se može rešiti, kako je to prikazano na slici 14.37, optoizolacijom prijemnika i predajnika od sistemskih masa. Sastavni delovi optoizolatora sa slike 14.37 su ugradjeni pojačavački stepeni koji generišu impulse korektnog naponskog nivoa za pobudnu i prijemnu elektroniku. Karakteristično za rešenje sa slike 36 je korišćenje DC-DC konvertora kojim se obezbedjuje izolacija od napajanja mreže. Na ovaj način komunikaciona masa nije povezana sa bilo kojom od sistemskih masa, tako da potencijalne razlike masa sistema A i B ne predstavljaju više problem sve dok ta razlika ne premaši probojni napon optoizolatora koji je tipično reda 2-3 kV.


343

Slika 14.37 Potpuno izolovani serijski prenos

Na slici 14.38 je jedno jednostavnije rešenje optoizolovanog sistema. Treba ipak ukazati da je ovakav

način izvodjenja, prvenstveno zbog niskih nivoa signala standarda RS 422, pogodniji za standarde RS 232 i RS 423.

Slika 14.38 Izolacija prijemnika – serijska veza sa samo-napajanjem

B.2 RS-485

U suštini RS-485 predstavlja poboljšanu verziju standarda RS-422 i koristi se kod sistema gde postoji potreba za ugradnjom više od jednog predajnika. Povećanjem pobudne sposobnosti predajnika i ulazne


344

impedanse prijemnika, moguće je povezati na zajedničkoj prenosnoj vezi do 32 predajna stepena i 32 prijemnika. Par predajnik-prijemnik uobičajeno se zove primopredajnik (transceiver). Na slici 14.39 prikazan je jedan tipičan polu-dupleks RS485 sistem za prenos podataka. Treba uočiti sa slike 14.39 da su oba kraja linije završena karakterističnom impedansom. Aktiviranje izlaza predajnog drajvera vrši se signalom kontrola.

Slika 14.39 Polu-dupleks RS-485

C. Strujna petlja

Standardi RS-232, RS-422 i RS-485 zasnivaju se na naponskom prenosu. Drugi tip interfejsa je strujna-petlja (current loop) kod koje se stanje signala identifikuje protokom struje umesto specifičnim naponskim nivoom kakav je to slučaj kod RS-232/422/485. Veći broj računara i periferija koristi strujnu petlju tipa 20 mA. Strujna petlja tipična je za realizaciju interfejsa čija je cena niska. Nedostaci su ti što strujne komutacije na susednim vodovima mogu da uzrokuju preslušavanje, i mala brzina prenosa podataka.


345

Slika 14.40 Implementacija interfejsa strujne petlje

Jedna tipična implementacija strujne petlje kod koje se koristi aktivni predajnik i pasivni prijemnik prikazana je na slici 14.40. TTL ulaz aktivira 1Q i dozvoljava rad strujne petlje čija je struja ograničena otpornikom 3R . Detekcija struje u prijemniku vrši se optoizolatorom. Zener dioda 1D ograničava napon na LED i otporniku 4R . Struju kroz LED ograničava 4R . Kada struja kroz petlju prolazi, LED se aktivira a fototranzistor provodi. Optoizolacijom se ostvaruje galvansko razdvajanje prijemnog od predajnog dela.


346

DTE-DCE handshake signalni protokol

Na slici 14.41 prikazan je tipičan DTE-DCE handshake signalni protokol, gde je dat scenario dogadjaja.

Slika 14.41 Handshake protokol

Napomena: (1) DTE aktivira signal DTR (Data Terminal Ready; (2) DCE se odaziva signalom DSR (Data Set Ready); (3) Kada je terminal spreman da preda podatke on aktivira signal RTS (Request To Send); (4) Kada je DCE spreman da primi podatke odaziva se signalom CTS (Clear To Send); (4a) DTE predaje podatke po liniji TD (Transmit Data); (5) Kada je DCE spreman da preda podatke on aktivira signal RI (Ring Indicator); (6) DCE postavlja u važeće stanje signal CD (Carrier Detect) ukazujući da su podaci po liniji RD (Receiver Data) prisutni i važeći; (6a) DCE predaje podatke po liniji RD (Receiver Data)

14.6. Metodi sa frekventnom i vremenskom raspodelom

Kod asinhronog prenosa podataka DTE i DCE koriste svoje interne taktne generatore. Kod sinhronog prenosa podataka DCE predaje taktne impulse DTE-u kako za prijemni tako i predajni deo. Kada je brzina prenosa podataka izmedju dva čvora mnogo veća od maksimalnog kapaciteta kanala tada se u cilju boljeg iskorišćenja propusnog opsega kanala koriste tehnike multipleksiranja.

Dve osnovne tehnike multipleksiranja zasnivaju se na frekventnoj i vremenskoj raspodeli. Kod frekventne raspodele (FDM - Frequency Division Multiplexing) celokupni propusni opseg kanala se deli na fiksne podopsege i svaki podopseg se dodeljuje različitom korisniku.

Tehnika zasnovana na vremenskoj raspodeli (TDM - Time Division Multiplexing) može biti izvedena kao sinhrona, STDM, ili asinhrona ATDM. STDM koristi statičku dodelu i deterministički metod pristupa. ATDM je poznata kao statističko multipleksiranje, koristi dinamičku dodelu i slučajan metod pristupa. STDM dodeljuje celokupnu propusnost kanala fiksnom broju jednakih vremenskih slotova koji čine jedan okvir. Tajmiranje i sinhronizacija su obezbedjeni na nivou svakog okvira koji se prenosi. Ako za dati vremenski slot ne postoje dostupni podaci tada se gubi na propusnosti. ATDM premošćava problem neiskorišćenja vremenskih slotova na sledeći način: "Prenose se samo oni podaci za koje postoji zahtev za prenos." Kao rezultat imaćemo okvire različitih dužina i identifikaciju izvora poruke za svaki okvir.


347

Jedna tipična STDM konfiguracija prikazana je na slici 14.42. Četiri DTE-a koje karakteriše različita brzina prenosa podataka se multipleksiraju u zajednički kanal od 9600 bps-a. Ako su njihove brzine prenosa podataka jednake tada sekvenca slotova podataka koji se prenose biće ABCD, a komutacija se standardno ostvaruje korišćenjem multipleksera 4-na-1. Za slučaj da su brzine prenosa podataka različite neophodno je kaskadno povezati tri multipleksera 2-na-1 kao što je to dato na slici 14.41.

Slika 14.42 DTE multipleksiranje/demultipleksiranje

Sekvenca predaje slotova podataka u tom slučaju je oblika ABACABAD i ponavlja se nezavisno od aktivnosti izvorišta podataka. Na prijemnom kraju, demultiplekser usmerava povorku bitova podataka odgovarajućem DTE-u u sinhronizmu sa izvorišnim DTE-ovima. Komunikacioni pristupi

Postoje dva načina povezivanja komunikacionih čvorova: tačka-ka-tački (point-to-point) i višetačkasto (multipoint). Kod pristupa tačka-ka-tački na isti kanal fizički se povezuju dva čvora. Svaki čvor mogu da čine jedan ili veći broj DTE-ova koji koriste multipleksiranje. Kod višetačkastog pristupa na isti kanal se povezuju tri ili veći broj izdvojenih čvorova. Komunikacije tipa tačka ka tački mogu biti tipa simpleks, polu-dupleks, ili potpuni dupleks. Višetačkaste komunikacije su zantano složenije i mogu pripadati jednoj od sledećih konfiguracija: prozivka (polled), umreženoj (netted), ili emisija-svima (broadcast).

Kod metoda prozivke, jednom čvoru je dodeljena uloga glavnog kontrolera, a ostali čvorovi se odazivaju po pozivci tj. nakon njihovog adresiranja. To znači da glavni kontroler radi u načinu rada potpuni-dupleks, a ostali čvorovi u polu-dupleksu. Kod umrežene konfiguracije svi čvorovi rade u polu-dupleksu. Naime, kad god je kanal slobodan, uspostavlja se veza izmedju dva čvora. Kod metode prozivke-svima svaki čvor radi u simpleks načinu rada, pri čemu postoji jedan predajnik i veći broj prijemnika. Protokoli

Protokoli predstavljaju skup pravila kojim se, na jedan sistematski način, definiše razmena podataka izmedju dva terminala. Protokolom se definiše:

(a) način iniciranja i raskidanja logičke veze; (b) adresa izvorišta i odredišta;


348

(c) prenos podataka; (d) provera na greške u prenosu; i (e) održavanje veze. Formiranje okvira (framing) je proces odredjivanja (zaokruživanja) segmenta podataka u predajnoj

poruci. Formiranje okvira se može javiti na nivou bita, bajta, ili bloka. Sinhronizacija je metod odredjivanja granice segmenta podataka na osnovu detekcije jedinstvenih (karakterističnih) bit oblika.

Postoje dva osnovna protokola formata: asinhroni i sinhroni. Asinhroni protokoli su znakovno (karakter) - orijentisani, dok sinhroni mogu biti bajt ili bit orijentisani. (Bit predstavlja najmanju jedinicu informacije; bajt je grupa od 8-bitova; znak (karakter) je grupa bitova koji predstavljaju alfanumerički simbol u datom kôdnom sistemu, a blok je skup bitova ili bajtova koji kolektivno predstavljaju jedinicu tipa poruke). Asinhroni protokoli su start-stop tipa (slika 14.43a) a više detalja o ovoj problematici je dato u podsekciji - Asinhrone komunikacije.

Slika 14.43 Formati sinhronih i asinhronih protokola

Da bi se očuvala sinhronizacija na nivou bita sinhroni protokoli koriste karakteristične sync oblike. Sinhronizacija na nivou bloka se postiže pretraživanjem za specifičnim bajtom koji označava granice bloka (slika 14.43b). Poljem SYNC se ostvaruje sinhronizacija prijemnika i predajnika. Kod višetačkaste veze polje ADRESA specificira izvorišni i odredišni DTE. Polje START prethodi stvarnom polju INFORMACIJA, iza koga sledi polje KRAJ. Konačno polje DETEKCIJA GREŠKE se koristi za detekciju greška u prenosu.

Dva dobro poznata sinhrona protokola su BSC (Binary Synchronous Communication) i SDLC (Synchronous Data Link Control).

BSC - je polu dupleks bajt orijentisani protokol koji koristi odredjene upravljačke karaktere (slika 14.44) radi definisanja različitih polja u okviru svakog bloka. Na slici 14.45 prikazane su definicije okvira kod BSC protokola. Kao što se vidi sa slike 14.45 svakom formatu poruke pridružuje se BCC polje koje se koristi za detekciju greške u prenosu.


349

upravljački zank definicija

SYN sinhronizacija - svaki BSC okvir počinje sa dva uzastopna SYN znaka

SOH početak zaglavlja - označava početak polja zaglavlja STX početak teksta - informacionom poljui prethodi znak STX ETX kraj teksta – ukazuje na kraj informacionog polja US jedinica separator – koristi se za razdvajanje informacionih polja

ETB kraj bloka – kada informacija koja se predaje čini veći broj poruka ukazuje na kraj zadnje poruke

ACK pozitivan odgovor (potvrda) o prijemu poruke – nakon prijema poruke ako je ona korektna prijemnik se odaziva karakterom ACK čime ukazuje predajniku da pošalje naredni okvir

NACK negativan odgovor (potvrda) o prijemu poruke – nakon prijema poruke ako je ona nekorektna prijemnik se odaziva karakterom ACK čime ukazuje predajniku da ponovi tekući okvir

ENQ zahtev za predajom – prenos podataka se inicira porukom koja sadrži znak ENQ, u odzivu prijemnik predaje poruku koja sadrži znak ACK

EOT kraj predaje – ukazuje prijemniku na kraj predaje, predajna sekvenca se završava ovim znakom

DLE ukazuje na transparentni format poruke (DLE – Data Link Escape)

Slika 14.44 Upravljački znaci kod BSC protokola

Slika 14.45 Definicijaokvira kod BSC protokola

SDLC je potpuni dupleks bit-orijentisani protokol koji koristi skup bit oblika radi definicije različitih polja u svakom bloku. Početak i kraj svakog okvira poruke (slika 14.46) označava se markerom - Flag. U konkretnom slučaju Flag je bit oblik čija je vrednost 7E heksa decimalno. Jednobajtnim adresnim poljem,


350

Address, specificira se odredišna DTE. Polje Control čini jedan bajt čije je značenje prikazano na slici 14.46a-d. Informaciono polje, INFO, može biti bilo koje dužine i oblika. Transparentnost podataka se postiže automatskim ubacivanjem nule nakon pet uzastopnih bitova jedinice. Na ovaj način izbegnuta je mogućnost da bilo koji bit oblika u okviru polja INFO bude identičan kao Flag (Flag čine šest uzastopnih jedinica uokvireni nulama). Polje FCS čine dva bajta koji se koriste od strane prijemnika za proveru ispravnosti prenosa.

Kao što se vidi sa slike 14.46 razlikujemo tri formata polja Control, i to: a) Informaciono, I - koristi se kod normalnog prenosa podataka; b) Supervizorsko, S - koristi se za iniciranje i upravljanje prenosom okvira, bilo potvrdom ili zahtevom za retransmisiju poruke; c) Podpolja Ns i Nr specificiraju broj okvira, do sedam, koji su uspešno predati i primljeni, respektivno.

Bit P/F se postavlja na "1" od strane predajnika kada zahteva odziv od strane prijemnika. Prijemnik postavlja P/F bit na "1" sa ciljem da ukaže da je okvir koga predaje zadnji. Podpolje Si u okviru S formata ukazuje na status prijemnika: spreman, nije spreman, izbaciti poruku. Podpoljem Mi u okviru formata N specificira se jedna od 32 moguće funkcije koje se mogu preuzeti.

Slika 14.46 Definicija formata kod SDLC protokola


351

14.7. Tehnike za detekciju grešaka u prenosu

Sistemi koji za prenos podataka korsite digitalno kodirane signale podložni su uticaju različitih tipova šumova, izobličenja, i interferencija. Zbog uticaja ovih faktora izlaz kanala se razlikuje od ulaza, tj. ne postoji uparenost podataka na predajnoj i prijemnoj strani. Tehnike za detekciju i korekciju grešaka tiču se:

(a) zaštite digitalne informacije od grešaka koje se javljaju u toku prenosa podataka; i (b) očuvanju integriteta podataka.

Realizacija ovih tehnika u uskoj je vezi sa protokolom za prenos podataka, a njhov krajnji cilj je da se prenosni kanal, podložan uticaju šuma, transformiše u pouzdan put za prenos podataka.

Kada se govori o metodama, koje se kod računarskih sistema, koriste za detekciju i manipulisanje greškama u prenosu razlikujemo sledeća tri pristupa:

1) provera kod udaljene povratne petlje - prenos podataka je tipa potpuni-dupleks, a prijemnik svaki primljeni podatak vraća radi uporedjenja predajniku, tj. kaže se da postoji eho. Princip ovakvog rada, na primeru direktnog povezivanja terminala i računara, prikazan je na slici 14.47. Kao što se vidi sa slike 14.47 put za prenos podataka deli isti medijum, što čini ovu tehniku neatraktivnu za širu aplikaciju. Uglavnom se ovaj pristup danas koristi za direktno povezivanje računara i terminala, tj. kod kanala kod kojih postoji mala verovatnoća na grešku.

Slika 14.47 Korišćenje eho signala kod povezivanja terminal-računar

2) EDAC (Error Detection And Correction) - koristi tehniku redundancije na osnovu koje se vrši detekcija grešaka. Kada se javi greška, prijemnik je detektuje i zahteva od predajnika retransmisiju poruke. Komunikacija izmedju predajnika i prijemnika može biti polu- ili potpuni-dupleks. Kod polu-dupleksa predajnik pošalje poruku i čeka od prijemnika da je prihvati (ACK) ili odbaci (NAK). Kod potpunog-dupleksa, predajnik kontinualno predaje poruke dok se prijemnik odaziva u sekvenci. Svaka poruka se označava (numeriše) na jedinstven način tako da je retransmisija pojednostavljena. Jednostavno se saopšti predajniku da poruka pod rednim brojem xy, ili od rednog broja xy do rednog broja xy+k nije korektno ili nisu korektno primljene. Tri standardne šeme za detekciju grešaka su VCR (Vertical Redundancy Check), LRC (Longitudal Redundancy Check) i CRC (Cyclic Redundancy Check).

3) FCS (Forward Error Correction) - detekciju i korekciju grešaka prijemnik vrši na osnovu redundantnosti, pa zbog toga, u slučaju kada se javi greška u prenosu, ne postoji potreba za retransmisijom poruke. Koncept detekcije i korekcije grešaka zasniva se na Hammingovom rastojanju (Hammingovo rastojanje izmedju dve sekvence dužine n-bitova predstavlja broj bit pozicija na


352

kojima se one razlikuju). Da bi se detektovalo p grešaka, neophodno je da Hammingovo rastojanje bude p+1. Na sličan način, da bi se korigovalo p grešaka, potrebno je da minimalno rastojanje bude 2p+1. To znači da se Hammingovim rastojanjem dva može detektovati greška na jednoj bit poziciji, a rastojanjem tri korigovati ta greška. Pridruživanje bita parnosti kôdu znaka (karaktera) generiše se kôdna sekvenca čije je Hammingovo rastojanje dva, što obezbedjuje detekciju jednostruke greške. U daljem tekstu ukazaćemo sa nešto više detalja na tehnike VRC, LRC, CRC i FCS.

A. VRC i LRC

Šeme za detekciju grešaka koje koriste parnost su dobro poznate. Provera parnosti nad znakom (karakterom) se zove vertikalna parnost, dok provera odgovarajućih bitova svakog znaka u poruci (blok podataka) se naziva longitudinalna parnost. Na slici 14.48 prikazan je princip formiranja longitudinalne i vertikalne parnosti kod poruke koju čine n bajtova.

Vertikalna provera parnosti, VRC, prvenstveno se koristi kod asinhronog prenosa podataka ASCII znakova. VRC se formira na predajnoj strani shodno sledećoj relaciji (važi za sliku 14.48):

∑=

⊕=7

0jiji aVVRC

gde je VRC =0,1 u zavisnosti od toga da li se koristi parna ili neparna parnost, respektivno. (Kod prenosa ASCII znakova j=0,1, ..., 6). VRC za prvi znak se izračunava kao 1711101 aaaV ⊕⊕⊕⊕ K .Jednostruke i neparan broj grešaka se može detektovati na osnovu provere parnosti. Paran broj grešaka ostaće nedetektovan. Na predajnoj strani kolo za generisanje bita parnosti na osnovu primljenog kôda znaka izračunava sumu po modulu dva i u zavisnosti od selektovane parnosti pridružuje bit iV povorci impulsa. Prijemno kolo za proveru parnosti radi na sledeći način: - Izračunava sumu po modulu dva od primljenih bitova znaka i proverava korektnost na parnost. Ako ne postoji greška, provera parnosti će biti korektna, ali ako postoji jedna ili neparan broj grešaka detektovaće se greška. Paran broj grešaka ostaće nedetektovan.

a10 a20 a30 a40 ... an0

a11 a21 a31 a41 ... an1

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

. ...

.

.

. a17 a27 a37 a47 ... an7

V1 V2 V3 V4 ... Vn

Slika 14.48 Način formiranja longitudinalne i vertikalne parnosti

LRC koristi se kod BSC protokola i kada su podaci kodirani kao ASCII znakovi. LRC se formira kao:

∑=

⊕=n

1iijj aLLRC

gde je LRC=0,1 za parnu ili neparnu parnost, respektivno. Za bit poziciju "0" kada povorke koju čine n znakova LRC se izračunava kao 0n20100 aaaL ⊕⊕⊕⊕ K .


353

LRC u kombinaciji sa VRC se koristi za detekciju neparnog broja grešaka, kao i odredjeni paran broj grešaka. Obično se bajt koga čine bitovi provere 710 L,,L,L K sa slike 14.48 izračunava pre predaje, a bitovi provere n10 V,,V,V K se izračunavaju i pridružuju povorci u toku predaje.

Ako poruku čine n znakova a svaki znak se sastoji od 7 bitova podataka i jedan bit parnosti, tada odnos broja bitova provere i bitova podataka iznosi ( ) n78n ∗+ . Kada se n povećava tada ovaj odnos teži graničnoj vrednosti od 1/7, što je, moramo priznati, sa stanovišta ekonomičnosti prenosa veoma loša efikasnost. B. Ciklično redundantni kôd

Druga šema koja se koristi za efikasnu proveru ispravnosti prenosa naziva se polinomsko ili ciklično kôdiranje. U principu polinomima se može algebarski manipulisati ako se razume aritmetika njihovih koeficijenata. Kod brojeva brojnog sistema po modulu, kakvi se koriste kod polinomskog kodiranja, sve celobrojne vrednosti nezavisno od veličine i znaka preslikavaju se u konačni skup m, gde je m pozitivna celobrojna vrednost koju nazivamo moduo. Preslikavanje se odnosi na prezentaciju bilo koje celobrojne vrednosti p kao ostatak o koji rezultira nakon deljenja vrednosti p sa m, ili što je ekvivalentno sa:

mkop ⋅+= gde je k bilo koja celobrojna vrednost. Shodno prethodnom za dva broja se kaže da su podudarni po modulu m ako oni daju iste ostatke o kada se dele sa m. Za dato m, sve celobrojne vrednosti se mogu preslikati u konačni skup celobrojnih vrednosti od 0 do ( )1m − . Na primer, ako je m=8, tada za 78157p ∗+== , tj. 8k = , 1i = pa je 7mod157 ≡ . Na sličan način, ako je 8m = , tada za ( ) 75233p ∗−+=−= , tj. 5k = ,

2i = i 7mod233 =− . Kod bilo kog sistema koji manipuliše po modulu za zadata dva podudarna broja i bilo kojih drugih

celobrojnih vrednosti, sume, razlike i produkti podudarnih brojeva sa celobrojnim vrednostima su takodje podudarni brojevi. Matematički, za bilo koje x , ako je ba ≡ ,važi:

xbxa +≡+ , xbxa −≡− i bxax ≡

Šta više, ako i samo ako su moduli dva podudarna broja isti, tada se zajednički faktor može anulirati bez da se naruši podudarnost, a to znači cbca = implicitno ukazuje da je ba ≡ .

Za 2m = , kod binarnog sistema, svi brojevi se preslikavaju u "0" i "1". Imajući u vidu da se -1 preslikava u +1, to znači da su operacije sabiranja i oduzimanja identične. Kako se za 2m = aritmetika obavlja po modulu 2 to važi ( ) ( ) 0xxxx aaaa =−=+ , tj. aa xx −= .

Usvojimo da blok podataka čine N reči svaka dužine n bitova. Zadatak generatora je da procesira i konvertuje ove podatke u novi blok podataka dužine (N+1)-reč, gde su prvih N reči identične sa polaznim blokom podataka, a zadnja (N +1)-reč predstavlja reč provere.

Ako su bitovi polaznog bloka podataka označe sa ( )1nN10 a,,a,a −⋅K gde je ( )1nNa −⋅ bit najveće težine (MSB) tada se podaci mogu izraziti u obliku polinoma:

( )( )

( )( )

( )( )

012nN

2nN1nN

1nN

1nN

0i

ii axaxaxaxaxM ++++== −

−−

−

−

=∑ K

gde ( )xM nazivamo polinomom poruke; su bitovi poruke koji mogu uzimati vrednosti "0" ili "1"; x je promenljiva.


354

Za 2x = polinom ( )xM se može izraziti kao binarni broj. Na primer, 7-bitni blok podataka 1100101 kod koga je bit na krajnjoj levoj bit poziciji MSB ima sledeću formu u obliku polinoma:

( ) =+++== ∑=

00

22

55

66

6

1i

ii xaxaxaxaxaxM

1xxx 256 +++= Treba uočiti da su u (9.11) izostavljeni koeficijenti čija je vrednost "0" i da je 111xa 0

0 =⋅= . Pre predaje polinomu poruke, ( )xM , se pridružuje (N+1)- reč koja se takodje može izraziti u obliku

polinoma ( )xR na sledeći način:

( ) 012n

2n1n

1n rxrxrxrxR +++⋅+⋅= −−

−− K

Novo formirana poruka od strane predajnika (pre predaje) je oblika:

( ) ( ) ( )xRxxMxQ n +⋅= tj. ( )xM se pomera ulevo za n cifara a krajnje desne n cifre se pridružuju polinomu ( )xR . Polinom ( )xR je manjeg stepena od ( )xM . Da bi izračunali cikličnu proveru poruke definišimo sada još jedan polinom, ( )xP , koga ćemo zvati polinom-generator, na sledeći način:

( ) 012n

2n1n

1n pxpxpxpxP +++⋅+⋅= −−

−− K

( )xP je obično istog stepena kao ( )xR . Polinom-generator standardno se impelementira kao CRC

generator. Formirajmo sada sledeću relaciju:

( )

( ) ( ) ( )( )xPxRxM

xPxxM

0

n

+=⋅

Imajući u vidu da manipulišemo sa brojevima po modulu ne interesuje nas količnik ( )xM 0 nego

samo ostatak ( )xR koji se dodaje proizvodu ( ) nxxM ⋅ i formira poruka ( )xQ (vidi jednačinu (9.14)). Primera radi, binarna 5-bitna poruka 11001 je ekvivalentna sa ( ) ( )1xxxM 34 ++= , dok poruka

( ) ( )5895 xxxxxM ++=⋅ ima binarni ekvivalent 1100100000. Ako je generator-polinom oblika ( ) ( )1xxxP 4 ++= tada je njegov binarni ekvivalent 10011, a jednačina (9.15) je oblika:

( )

( ) 1xx1x1xxx

1xxxxx

xPxxM

4

345

4

5895

+++

++++=++++

=⋅

CRC generator predajnika poruku datu u obliku polinoma ( ) nxxM deli sa generator polinomom

( )xP koristeći deljenje po modulu 2. U konkretnom slučaju deli se ( ) ( )5895 xxxxxM ++=⋅ sa


355

( ) ( )1xxxP 4 ++= , količnik ( ) ( )1xxxxxxM 245 ++++=⋅ se odbacuje a ostatak ( ) ( )1xxR 3 += se sabira sa i formira blok podataka koji se predaje.

Postupak deljenja je prikazan na slici 14.49.

delitelj 894 xx/1xx +++

1xxxx 245 ++++5x+

8x

6x+ 5x+9x6x+

5x+ 4x+8x456 xxx ++

3x+ 2x+6x2345 xxxx +++2x+ x+5x

34 xx + xx+ 1+4x

3x+ 1+ ostatak

deljenik

kolicnik

Slika 14.49 Postupak deljenja

Prema tome ( ) ( )1xxxxxM 2450 ++++= a ( ) ( )1xxR 3 += , ili njegov binarni ekvivalent je oblika

01001. Blok podataka koji se od strane predajnika šalje na liniji biće oblika ( ) ( ) ( )1xxxxxRxxM 35895 ++++=+⋅ , ili u binarnoj formi 1100101001.

Na prijemnoj strani primljena poruka se verifikuje. Verifikacija se vrši na taj način što se operiše sa identičnim CRC generatorom. Jednačina po kojoj se obavlja ovaj proces je oblika:

( ) ( )( ) ( ) ( )

( )( )( ) ( )xMxPxR

xPxRxM

xPxRxxM

01

0

n

=++=+⋅

Ako poruka ne sadrži grešku (slučaj jednačina (9.16)) tada će ( ) ( )xRxR 1= i na osnovu osobina

operacija sabiranja brojeva po modulu imaćemo:

( )( )

( )( ) 0xPxR

xPxR

=+

To znači da će ukupni ostatak nakon procesiranja poruke biti 0. U suprotnom, kada postoji greška u prenosu, imaćemo da je ( ) ( )xRxR 1≠ pa će ostatak nakon

procesiranja poruke biti različit od nule.


356

Primer 14.5 Neka je data poruka

1xxxxxx11001110100)x(M 467811 ++++++== i

1xx10011)x(P 4 ++== izračunati polinom )x(Rx)x(M)x(Q 4 +⋅= koji se koristi kod procedure za odredjivanje CRC greške.

Rešenje

458101112154 xxxxxxxx)x(M ++++++=⋅

1xx1xx1xxxxx

)x(Px)x(M

4

2234611

4

++++

++++++=⋅

1xx)x(R 2 ++= - ostatak, poruka koja se predaje je oblika

1xxxxxxxxx

)x(Rx)x(M)x(Q245810111215

4

+++++++++=

+⋅=

na prijemnoj strani, imamo

1xxxxx)x(M)x(P)x(Q 234611

0 +++++== i 0)x(R =

Rezultat 0)x(R = ukazuje da nije došlo do greške u prenosu. Količnik )x(M 0 se anulira s obzirom da manipulišemo sa brojevima po modulu. Konačno (korisnu) poruku podtaka dobijamo na osnovu sledeće relacije:

[ ] 4x)x(R)x(Q)x(M −⋅−=

Na osnovu prethodne diskusije možemo zaključiti da za datu dužinu poruke moguće je specificirati više od jedan generator-polinom željene dužine. U praksi se koriste nekoliko standardnih generator-polinoma poznatih kao 16CRC − i 12CRC − . 16CRC − je 16-bitni polinom i oblika je 1xxx 21516 +++ a

12CRC − je 12-bitni i ima formu 1xxx 2312 +++ . Iz teorije grešaka se pokazuje da 16CRC − (uslovno i 12CRC − ) imaju sledeće karakteristike u pogledu detekcije grešaka:

a) detektuju bilo koji neparni broj grešaka; b) detektuju sve dvostruke greške; c) detektuju sve "burst" greške dužine 15 i manje; d) sa 99,994% detektuju sve greške tipa "burst" dužine 16; i e) sa 99,997% detektuju sve greške tipa "burst" duže od 16.


357

Nivo zaštite koji se postiže 16-bitnom cikličnom proverom je zadovoljavajući za najveći broj primena. Kada se CRC provera koristi sa 7-bitno kodiranim podacima, odnos bitova provere prema bitovima podataka iznosi N7

16 . Ovaj odnos se približava nuli kada se N poveća.

C. FCS

FCS šema koristi redudantnost u cilju detekcije i korekcije greške na prijemnoj strani, čime se u slučaju greške eliminiše potreba za retransmisijom poruke. Da bi bolje razumeli kôdove za detekciju i korekciju grešaka upoznaćemo se prvo sa nekim osnovnim pojmovima kao što su rastojanje, Hamming-ovo rastojanje i dr. Proizvoljni n-bitni niz se može vizuelizirati kao binarna n-kocka koja ima n2 čvorova, pri čemu svaki čvor odgovara pojedinom n-to bitnom nizu. U okviru kocke, dva čvora su povezana potegom ako i samo ako nizovi koji odgovaraju tim čvorovima se razlikuju za jednu bit poziciju. Na slici 9.49a-d prikazane su četiri kocke dimenzije n =1, 2, 3 i 4, respektivno. U okviru n-kocke postoji veći broj m-subkocki pri čemu svaku subkocku čine n2 čvorova.

Slika 14.50 n-kocka za n = 1, 2, 3 i 4

Napomena: kocke većih dimenzija je teže vizuelizirati

Rastojanje izmedju dva čvora odgovara najkraćem putu koji ih povezuje i jednako je broju bit pozicija u kojima se ove dve binarne vrednosti razlikuju. Rastojanje izmedju dva susedna čvora je 1, a rastojanje izmedju dva nesusedna čvora u okviru bilo koje 2-subkocke je uvek 2. Bilo koji n-to bitni kôd možemo posmatrati kao podskup koga čine svi mogući n-bitni nizovi. Nizovi koji pripadaju tom podskupu zovu se kôdne reči, a oni koji ne pripadaju nazivamo ne-kodne reči. Kôd-za-detekciju-grešaka karakteriše osobina da odredjeni tipovi podataka promene kôdnu reč u ne-kôdnu reč. To znači da, kod korektnog prenosa podataka primljeni niz predstavlja kôdnu reč, a kod nekorektnog ne-kôdnu reč.


358

Da bi uspešno detektovali grešku na jednoj bit poziciji, tj. promenu vrednosti bita sa "1" na "0" ili sa "0" na "1", kôdne reči u kôdu moraju da imaju rastojanje 2≥ . Drugim rečima, izbor kôdne reči mora biti takav da u odgovarajućoj n-kocki ne postoje dva susedna čvora koja predstavljaju kôdne reči. Primera radi, kako je prikazano na slici 14.50a neka 3-bitni kôd čine sledeće kôdne reči: 000, 011, 100 i 110. S obzirom da greška na jednoj bit poziciji može da promeni kodnu reč 100 u kôdnu reč 000 ili 110, to znači da ovaj kôd ne može detektovati sve greške na jednoj bit poziciji. Ako sada iz skupa kôdnih reči izostavimo 100 a umesto toga dodamo 101 tada je moguće generisati kôd koji ima mogućnost da detektuje sve greške na jednoj bit poziciji. Kao što se vidi sa slike 14.50b sve kôdne reči se nalaze sada na rastojanju 2 pa zbog toga usled greške na jednoj bit poziciji ne može da dodje do promene jedne kôdne reči u drugu.

Slika 14.51 Tri različita načina kodiranja

U opštem slučaju, da bi se u proizvljnom kôdu očuvalo rastojanje 2 potrebno je izjednačiti broj kôdnih i nekôdnih reči. Ovaj cilj se ostvaruje na taj način što se podatku koga čine n-informacionih bitova doda jedan bit i formira ( )1n + -bitni kôd. Bit koji se dodaje zove se bit parnosti. Vrednost bita parnosti može biti postavljena tako da je broj jedinica u kôdu paran, pa tada taj kôd zovemo kôd parne parnosti. Sa druge strane, kôd kod koga je ukupan broj jedinica neparan nazivamo kôd neparne parnosti. Na slici 14.50b prikazan je n-bitni kôd parne parnosti koga čine sledeće četiri reči: 000, 011, 101, 110. Kod ovog kôda dva MS bita čine informaciju, a LS bit je bit parnosti. Alternativno na slici 14.50c prikazan je 3-bitni kôd neparne parnosti koji takodje sadrži četiri kôdne reči.

U suštini da bi korigovali grešku na jednoj bit poziciji potrebno je više od jednog bita parnosti, jer jednim bitom može samo da se ukaže da li je cela primljena kôdna reč korektna ili ne. Da bi se dobila preciznija informacija o tome potrebno je dodatnih nlog2 bitova parnosti za svaki od n informacionih bitova. Na ovaj način moguće je tačno odrediti koji je informacioni bit pogrešan. Nakon toga sledi korekcija koja se sprovodi promenom vrednosti te bit pozicije sa "1" na "0" ili sa "0" na "1". Sa ciljem da ukažemo kako se vrši korekcija analizirajmo slučaj da se informacioni bit "0" kodira kao 000 a informacioni bit "1" kao 111. Kao što se vidi sa slike 14.51 za ovaj 3-bitni kôd minimalno kôdno rastojanje iznosi 2. Ako se u toku prenosa javi greška na jednoj bit poziciji tada će doći do promene kôdne reči u nekôdnu reč. U konkretnom slučaju, u odnosu na kôdnu reč na prednjoj strani, ne-kôdna reč biće na rastojanju 1, a u odnosu na drugu kôdnu reč sa predajne strane na rastojanju 2. Na osnovu ovoga lako je identifikovati pogrešan bit i promeniti primljenu ne-kôdnu reč u kôdnu.


359

Slika 14.52 Primer koda za korekciju grešaka

Primera radi, ako je predata informacija 000, greška na jednoj bit poziciji može da promeni predajnu

informaciju na 100, 010 ili 001. Kada se primi ne-kôdna reč sa jednom jedinicom ona se menja u 000. Alternativno, ako se primi kôdna reč sa dve jedinice ona se menja u 111.

Ovakvim načinom kodiranja moguće je detektovati i korigovati grešku u prenosu samo na jednoj bit poziciji, ili samo detektovati a ne i korigovati dvostruke greške (tj. greške na dve bit pozicije). Iz literature su poznati i kodovi za korekciju grešaka, koji omogućavaju detekciju i korekciju višestrukih grešaka. U principu, kôdu je potrebno minimalno rastojanje od 1x2 + da bi isti mogao da se iskoristi za korekciju x grešaka na različitim bit pozicijama. Kod primera sa slike 14.51 imamo da je 1x = . Alternativno moguće je koristiti kôd minimalnog rastojanja 1yx2 ++ radi korekcije do x grešaka na različitim bit pozicijama i za detekciju dodatnih y grešaka.

Najčešći tipovi kôdova za korekciju grešaka su Hamming-ovi kôdovi. Kod Hamming-ovog kôda n-bitnoj reči dodaje se k bitova parnosti i formira nova reč od knm += bitova. Bitovi u sekvenci su numerisani počev od 1 do m. Bitovi parnosti se uvek nalaze na pozicijama 1m2,,8,4,2,1 −K , tj. na bit pozicijama stepena dva. Ostali bitovi su bitovi podataka. Kôd se može koristiti za reč proizvoljne dužine. U opštem slučaju, vrednost svakog bita parnosti se bira tako da je ukupan broj jedinica u specifičnoj grupi bit pozicija paran, a grupe su tako odabrane da se informacioni bit ne pokriva od strane iste kombinacije bitova parnosti. Preciznije kazano, svaki bit parnosti na poziciji p2 , 1mp0 −≤≤ prati odgovarajuća grupa informacionih bitova koja uključuje sve one bitove na pozicijama čija binarna predstava ima "1" na poziciji

p2 . Ukazaćemo na karakteristike Hamming-ovog kôda na primeru 8-bitne reči 11000100. Uvode se četiri bita parnosti, pa je 12 bitova uredjeno na sledeći način:

bit pozicija 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

bit parnosti P1 P2 1 P4 1 0 0 P8 0 1 0 0

Bitovi parnosti 8421 PiP,P,P se izračunavaju na sledeći način:

( ) 00001111,9,7,5,3bitovaExORP1 =⊕⊕⊕⊕== ( ) 00100111,10,7,6,3bitovaExORP2 =⊕⊕⊕⊕==

( ) 00100112,7,6,5bitovaExORP4 =⊕⊕⊕⊕== ( ) 1001012,11,10,9bitovaExORP8 =⊕⊕⊕==


360

gde ExOR predstavlja logičku Isključivo-ILI operaciju. Zamenom vrednosti za 8421 PiP,P,P dobijamo, sledeću 12 bitnu informaciju.

bit pozicija 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

bit parnosti 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 0 0

12 bitna informacija se nakon toga predaje i prihvata na prijemnoj strani. Nad primljenom

informacijom vrši se provera radi detektovanja grešaka. Proverava se parnost reči nad istom grupom bitova uključujući i bit parnosti. Sva četiri bita se proveravaju na sledeći način:

( )11,9,7,5,3,1bitovaExORC1 = ( )11,10,7,6,3,2bitovaExORC2 =

( )12,7,6,5,4bitovaExORC4 = ( )12,11,10,9,8bitovaExORC8 =

S obzirom da su u konkretnom slučaju, bitovi primljeni sa parnom parnošću vrednost rezultata 0000CCCCC 1248 == ukazuje da do greške nije došlo. U slučaju kada se javi jednostruka greška nakon

provere dobićemo 0C ≠ pa je tada na osnovu sadržaja 4-bitnog binarnog broja koga formiraju bitovi provere moguće tačno odrediti pogrešnu bit poziciju. Primera radi posmatrajmo sledeća tri slučaja:

bit pozicija 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

I slučaj 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 0 0 nema

greška

II slučaj 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 0 0

greškau bitu

1

III slučaj 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 0 0

greška u bitu

5

U prvom slučaju ne postoji greška, u drugom došlo je do promene bit pozicije 1 sa "0" na "1", a u

trećem do promene bit pozicije 5 sa "1" na "0". Na osnovu sadržaja bitova 1248 CiC,C,C moguće je tačno odrediti mesto gde se javila greška, shodno sledećoj tabeli:

8C 4C 2C 1C komentar

0 0 0 0 greška ne postoji 0 0 0 1 greška na bit poziciji 1 0 1 0 1 greška na bit poziciji 5

Greška se može korigovati komplementiranjem vrednosti odgovarajućeg bita. Treba istaći da se

greška može ravnopravno javiti kako u bitovima za podatke tako i u bitovima za proveru parnosti.


361

Hammingov kôd se može koristiti za podatke bilo koje dužine. U opštem slučaju sa k bitova provere i n bitova po podatku ukupan broj bitova, kn + , koji se u reči može kodirati je najviše 12k − . Drugim rečima mora da se sačuva odnos 12kn k −=+ . Na osnovu ovog odnosa se dobija da je broj bitova n reči

k12n k −−≤ . Na primer, za 3k = , ukupan broj bitova u kôdnoj reči iznosi 712kn 3 =−=+ , što daje 437n =−≤ . Za 4k = , imamo 15kn ≤+ što daje 4n ≤ . To znači da reč podataka može da ima manje od

11 bitova, ali mora da ima najmanje 5 bitova; ako ne potrebna su samo tri bita provere. Osnovni Hamming-ov kôd može da detektuje i koriguje jednostruku grešku. Neke višestruke greške

se mogu detektovati, ali se ne mogu ispravno korigovati kao što je to bio slučaj sa jednostrukim greškama. Dodavanjem kôdnoj reči još jednog bita parnosti Hamming-ov kôd se može koristiti za korekciju jednostrukih grešaka a detekciju dvostrukih. Uvodjenjem dodatnog bita parnosti, prethodno 12 bitno kodirana reč postaje 001110010100P13, gde P13 predstavlja ExOR operaciju nad ostalih 12 bitova. Na ovaj način se dobija 13-bitna reč 001110010001 (parna parnost). Kada se ova reč prihvati, bitovi provere, a takodje i bit parnosti P se odredjuju nad svih 13 bitova. Ako je P=0, parnost je korektna (parna parnost), ali ako je P=1 parnost kod svih 13 bitova nije korektna. Pri ovome se mogu javiti sledeća četiri slučaja:

I slučaj ako je C=0 i P=0 ne postoji greška

II slučaj ako je C=0 i P=0

postoji jednostruka greška koja se može korigovati

III slučaj ako je C0 i P=0

javila se dvostruka greška koja se detektovala ali se ne može korigovati

IV slučaj ako je C=0 i P=1

javila se greška na bit poziciji P13

prenos podataka na daljinu-novo-kucies.elfak.ni.ac.rs/rmif/prenos-podatak-februar-2011/pre...prenos...

Documents