Эндрю Уэзеролл - Компьютерные сети. 5-е издание

Скремблирование привлекательно, потому что оно не добавляет требований к полосе пропускания или времени на служебные данные. Фактически оно используется для создания дополнительных требований к сигналу — энергетические составляющие не должны попадать на основные гармоники (возникающие из-за повторяющихся пакетов данных), поскольку это может привести к возникновению интерференции. Скремблирование идеально подходит для этого случая, потому что случайные сигналы весьма похожи на «белый шум», или их энергия «размазана» по частоте.

Однако скремблирование не гарантирует, что не потребуется никакой длительной обработки. Иногда оно может быть неудачным. Если данные будут похожи на псевдослучайную последовательность, то в результате применения «исключающего или» они превратятся в нули. Такого не произойдет с длинной псевдослучайной последовательностью, которую трудно предсказать. Однако для коротких или предсказуемых последовательностей существует возможность подобрать комбинацию двоичных разрядов, которые вызывают длинные последовательности нулей после шифрования и «портят» связь. В ранних версиях стандартов для отправки IP-пакетов по каналам SONET в телефонной сети этот дефект присутствовал (Malis и Simpson, 1999). Пользователи могли послать определенные «пакеты убийцы», которые гарантировано вызывали проблемы.

Симметричные сигналы

Сигналы, у которых есть столько же положительного напряжения, сколько и отрицательного напряжения даже за короткие периоды времени, называют симметричными сигналами. Они составляют в среднем ноль, это означает, что у них нет никакой составляющей постоянного тока. Отсутствие такой компоненты является преимуществом, потому что в некоторых каналах, таких как коаксиальный кабель или линии с трансформаторами, сигнал сильно затухает в силу физических свойств. Кроме того, один из методов присоединения приемника к каналу, называемый емкостная связь, пропускает только часть сигнала с переменным током. В любом случае, если мы посылаем сигнал, среднее число которого не ноль, мы тратим впустую энергию, поскольку компонент постоянного тока будет отфильтрована.

Балансирование помогает обеспечить передачу для сигналов синхронизации, так как представляет собой сочетание положительных и отрицательных напряжений. Оно также обеспечивает простой способ калибровать приемники, потому что среднее значение сигнала может быть измерено и использоваться в качестве порога решения для расшифровки символов. В несимметричном сигнале среднее значение может далеко отклониться от истинного решения, например, из-за плотности единиц, в результате больше символов было бы расшифровано с ошибками.

Простейший способ создать симметричный код состоит в том, чтобы использовать два уровня напряжения для представления логической 1, (скажем +1 В или -1 В), и 0 В для представления логического нуля. Чтобы послать 1, передатчик чередует уровни между +1 В и -1 В так, чтобы они всегда давали среднее. Эту схему называют биполярным кодированием. В телефонных сетях ее называют AMI( Alternate Mark Inversion, схема биполярного кодирования, в которой последовательные объекты кодируются противоположной полярностью), основываясь на старой терминологии, в которой 1 называют «маркой» и 0 называют «пробелом». Пример показан на рис. 2.17, д.

Биполярное кодирование добавляет уровень напряжения, чтобы достигнуть баланса. Или мы можем использовать для достижения баланса отображение, такое как 4B/5B (так же как переходы для синхронизации). Пример симметричного кода — линейный код 8B/10B. Он отображает 8 входных бит на 10 выходных бит, таким образом, это на 80 % эффективно, точно так же, как код линии 4B/5B. 8 бит разделены на группу из 5 бит, которые отображаются на 6 бит, и группу из 3 бит, которые отображаются на 4 бита. 6-битовые и 4-битовые символы таким образом связаны. В каждой группе некоторые входные образцы могут быть отображены на симметричные выходные образцы, у которых одинаковое число нулей и единиц. Например, «001» отображен на симметричный «1001». Но комбинаций недостаточно много для того, чтобы все выходные образцы были сбалансированы. Поэтому каждый входной образец отображен на два выходных образца. У каждого будет один с дополнительной 1 и один с дополнительным 0. Например, «000» отображен и на «1011» и на его дополнение «0100». Когда происходит отображение входных битов, кодирующее устройство помнит неравенствопредыдущего символа. Неравенство — общее количество нулей или единиц, которые делают сигнал не сбалансированным. Кодирующее устройство выбирает или выходной образец, или его альтернативу, чтобы уменьшить неравенство. Для кода 8B/10B самое большое неравенство будет составлять 2 бита. Таким образом, сигнал никогда не будет сильно не сбалансирован. И в нем никогда не будет больше чем пяти последовательных единиц или нулей, что облегчит синхронизацию.