Полудуплексный режим передачи данных. Дуплексная радиосвязь

В технических системах часто возникает задача связать две подсистемы или два узла для организации информационного обмена между ними. Полученную коммуникативную связь называют каналом связи .

Каналы связи можно разделить по типу передаваемого сигнала (электрический, оптический, радиосигнал и т.д.), по среде передачи данных (воздух, электрический проводник, оптоволокно и т.д.) и по многим другим характеристикам. В этой статье речь пойдёт о делении каналов связи по режимам и правилам приёма и передачи информации. По указанным признакам каналы связи делят на симплексные, полудуплексные и дуплексные.

Симплексная связь

Симплексный канал связи — это односторонний канал, данные по нему могут передаваться только в одном направлении. Первый узел способен отсылать сообщения, второй может только принимать их, но не может подтвердить получение или ответить. Типичным примером каналов связи этого типа является речевое оповещение в школах, больницах и других учреждениях. Другой пример — радио и телевидение.

При симплексной передаче данных один узел связи имеет передатчик, а другой (другие) приёмник.

Полудуплексная связь

При полудуплексном типе связи оба абонента имеют возможность принимать и передавать сообщения. Каждый узел имеет в своём составе и приёмник, и передатчик, но одновременно они работать не могут. В каждый момент времени канал связи образуют передатчик одного узла и приёмник другого.

Типичным примером полудуплексного канала связи является рация. По рации обычно происходит приблизительно такой диалог:

— Белка, Белка! Я Мадагаскар! Приём!

— Мадагаскар, я Белка. Приём!

Слово «Приём» делегирует право на передачу сообщения. В этот момент узел, который был приёмником, становится передатчиком и наоборот. Конечно, направление обмена данными меняется не само по себе. Для этого на рации предусмотрена специальная кнопка. Человек, начинающий говорить, зажимает эту кнопку, включая свою рацию в режим передачи. После этого он произносит своё сообщение и кодовое слово «Приём», отпускает кнопку и возвращается в режим приёмника. Кодовое слово даёт другому абоненту понять, что сообщение закончено и он может переключиться в режим передачи для ответного сообщения. Слово «Приём» позволяет избежать коллизий, когда оба абонента начнут передавать одновременно и ни одно из сообщений не будет услышано собеседником.

Дуплексная связь

По дуплексному каналу данные могут передаваться в обе стороны одновременно. Каждый из узлов связи имеет приёмник и передатчик. После установления связи передатчик первого абонента соединяется с приёмником второго и наоборот.

Классическим примером дуплексного канала связи является телефонный разговор. Безусловно, одновременно говорить и слушать собеседника тяжело для человека, но такая возможность при телефонном разговоре имеется, и,согласитесь, разговаривать по дуплексному телефону гораздо удобнее, чем по полудуплексной рации. Электронные же устройства, в отличие от человека, без проблем могут одновременно передавать и принимать сообщения, благодаря своему быстродействию и внутренней архитектуре.

Доступ к среде на основе конкуренции

Механизмы доступа к среде

Каждая сеть должна поддерживать определенный механизм управления доступом к среде передачи данных. Реализуется доступ к среде на втором (канальном) уровне эталонной модели OSI. Хотя теоретически механизм доступа к среде должен быть универсальным, на практике различают несколько способов его реализации. В частности, в локальных сетях для управления доступом к среде передачи данных используется четыре различных подхода:

Конкуренция за право доступа;

Передача маркера;

Доступ по приоритету;

Коммутируемый доступ.

В локальной сети, устройства которой соревнуются за право на передачу данных, применяется метод доступа к среде на основе конкуренции (contention-based media access method) . Совокупность устройств, соперничающих друг с другом за полосу пропускания, называются конфликтным доменом (collision domain). Данный метод применяется во многих разновидностях Ethernet.

Технология доступа к среде на основе конкуренции довольна примитивна и не предполагает использования централизованного механизма управления. Вместо этого каждое сетевое устройство берет на себя все функции по организации процесса передачи своих данных. Каждый раз, когда устройство собирается передать данные, оно должно определить, доступен ли кабель для передачи или уже используется другим устройством. Если кабель используется, необходимо подождать и через некоторое время предпринять следующую попытку.

Из приведенного описания механизма доступа к среде на основе конкуренции можно сделать вывод, что все подключенные к сети устройства передают и принимают данные в одном и том же диапазоне частот. Среда передачи способна передавать только один сигнал в отдельный момент времени, и этот сигнал занимает весь диапазон. Другими словами среда передачи данных поддерживает режим моно полосной передачи.

Технология монополосной передачи использует только один канал для транспортировки всех данных. Поэтому:

Только одно устройство может передавать данные в отдельный момент времени;

Устройство может либо передавать, либо получать данные. Такой режим называется полудуплексным (half-duplex).

Полудуплексная сеть позволяет осуществлять передачу данных только одному устройству в данный момент времени – все остальные должны оставаться пассивными и прослушивать трафик на наличие адресованных им кадров.

В дуплексной (full-duplex) сети доступная полоса пропускания делиться на дискретные каналы. В альтернативном варианте физически разделенные проводники могут использоваться для создания избыточного канала, использующего тот же диапазон частот. В типичной дуплексной сети используется технология коммутации. В любом случае каждому устройству предоставляется в единицу времени как принимать, так и передавать данные.

Следует заметить, что полностью в дуплексной сети, предоставляющей доступ на основе конкуренции, только одно устройство в отдельном конфликтном домене имеет право передавать данные в определенный момент времени. Однако при развертывании дуплексной сети каждое устройство оказывается подключенным к коммутируемому порту. Таким образом, количество устройств в каждом конфликтном домене сокращается до двух: само устройство и коммутируемый порт, к которому оно подключено.

Обратная связь

Данный принцип работы, естественно подразумевает только соединение типа точка-точка. Но это скорее большой плюс, чем минус. Дело в том, что в этом случае отпадает необходимость в каком либо ручном тюнинге (согласовании), установке дополнительных резисторов (они уже встроены), а сама линия всегда будет работать в наиболее оптимальном режиме. Все что потребуется это обжать концы кабеля в типовые телефонные коннекторы и воткнуть в соответствующие гнезда, по аналогии с тем как монтируются сети Ethernet. На следующем рисунке представлена схема сети RS-.5.

Рисунок 2

В моей реализации преобразователи RS-.5 не имеют собственного источника питания трансмиттера. Дело в том, что кабель типа витая пара всегда имеет как минимум 2 пары проводов. Поэтому, я задействовал еще одну пару проводов для передачи напряжения питания всех трансмиттеров в линии/сети. Это позволяет избавиться от dc/dc конвертеров (вещь довольно не дешевая). Все приемопередающие части преобразователей можно питать от одного источника питания. Если сеть большая ИП может быть и больше чем один естественно.
На картинке нарисована коробочка с двумя портами и надписью RS-.5 Switch - на самом деле возможность коммутировать данные в сети асинхронной передачи данных определяется используемым протоколом. На практике я такого не встречал ни в одном протоколе, но реализовать нетрудно.

После проработки основных принципов была разработана принципиальная схема UART to RS.5 трансмиттера (Рисунок 3).

Рисунок 3

Хотя там разрабатывать нечего. Оптроны выбрал самые дешевые из не самых медленных - H11L1. Заявленная скорость до 1Мб. На скорости 115200 работает хорошо. Хотя есть неприятный момент: один оптрон работал вплоть до скорости 921 600 бит в секунду, тогда как другой спотыкался уже на 230 400 бит в секунду. При осциллографической диагностике оказалось что все оптроны H11L1 перетягивают задний фронт. В общем это не проблема, можно оптроны подобрать по вкусу.
Так все выглядит в железе (конечно же это тестовые железки):

Рисунок 4

Рисунок 5

Интересная особенность: если с одного конца отсоединить коннектор, то трансмиттер на другом конце будет принимать свое эхо. В дальнейшем хочу попробовать на основе этого эффекта и на таком же модуле сделать измеритель длины кабеля.

Под дуплексным режимом работы модема понимается возможность передавать и принимать информацию одновременно. Проблема для модема заключается не в способности канала передавать дуплексную информацию, т.к. обычный телефонный канал – дуплексный, а в возможности демодулятора модема распознать входной сигнал на фоне отраженного от аппаратуры АТС собственного выходного сигнала. При этом его мощность может быть не только сравнима, но в большинстве случаев значительно превосходить мощность принимаемого полезного сигнала (так как объединение и разделение передачи и приема производится с помощью дифсистем, которые невозможно идеально настроить на полное подавление сигнала передатчика местного модема). Поэтому, могут ли модемы передавать информацию одновременно в обе стороны определяется возможностями протокола физического уровня.

Соединение абонента передачи данных с телефонным каналом может осуществляться с помощью четырехпроводного окончания (главным образом с арендованными каналами) и/или двухпроводным окончанием (в основном с коммутируемыми каналами). При четырехпроводном окончании передача и прием осуществляются независимо друг от друга. В этом случае каждая пара используется для передачи информации только в одном направлении и проблемы разделения входного сигала и отраженного выходного не существует.

Передача данных по телефонным каналам с двухпроводным окончанием организуется с использованием одного из следующих методов:

поочередной передачи в каждом из направлений (полудуплексный режим);

частотного разделения направлений передачи (дуплексный режим: симметричный или ассимметричный – в зависимости от равенства или неравенства скоростей передачи в разных направлениях);

одновременной передачи в обоих направлениях с подавлением на приеме отраженного сигнала собственного передатчика (дуплексный режим с эхокомпенсацией).

Наиболее простым в реализации и наименее эффективным по использованию канала связи является метод поочередной передачи (полудуплексный), т.к. передача ведется только в одном направлении, и имеют место потери времени на смену направлений передачи. Ввиду отсутствия проблем с взаимным проникновением подканалов передачи, а также с эхо-отражением, полудуплексные протоколы в общем случае характеризуются большей помехоустойчивостью и возможностью использования всей ширины полосы пропускания канала. Этот метод применяется при малых скоростях передачи. Все протоколы, предназначенные для факсимильной связи – полудуплексные. С освоением более высоких скоростей появилась возможность организации на базе этого метода псевдодуплексной передачи (дуплексный режим оконечного оборудования данных при полудуплексной передаче в канале) – т.н. метод "ping-pong".

Модемные протоколы

Модемы можно классифицировать в соответствии с реализованными в них протоколами. Все протоколы, регламентирующие те или иные аспекты функционирования модемов могут быть отнесены к двум большим группам: международные и фирменные.

Протоколы международного уровня разрабатываются под эгидой ITU-T и принимаются им в качестве рекомендаций (ранее ITU-T назывался Международным консультативным комитетом по телефонии и телеграфии – МККТ, международная аббревиатура CCITT). Все рекомендации ITU-T относительно модемов относятся к серии V. Фирменные протоколы разрабатываются отдельными компаниями – производителями модемов, с целью преуспеть в конкурентной борьбе. Часто фирменные протоколы становятся стандартными протоколами де-факто и принимаются частично либо полностью в качестве рекомендаций ITU-T, как это случилось с рядом протоколов фирмы Microcom. Наиболее активно разработкой новых протоколов и стандартов занимаются такие известные фирмы, как AT&T, Motorolla, U.S.Robotics, ZyXEL и другие.

С функциональной точки зрения модемные протоколы могут быть разделены на следующие группы:

Протоколы, регламентирующие соединение и алгоритмы взаимодействия модема и DTE (V.10, V.11, V.24, V.25, V.25bis, V.28);

Протоколы модуляции, определяющие основные характеристики модемовб предназначенных для коммутируемых и выделенных телефонных каналов. К ним относятся такие протоколы, как V.17, V.22, V.32, V.34, HST, ZyX и большое количество других;

Протоколы защиты от ошибок (V.41, V.42, MNP1-MNP4);

Протоколы зжатия передаваемых данных, такие как MNP5, MNP7, V.42bis;

Протоколы согласования параметров связи на этапе ее установления (HandShaking ), например V.8.

Приставки “bis” и “ter” в названиях протоколов обозначают, соответственно, вторую и третью модификацию существующих протоколов или протокол, связанный с исходным протоколом. При этом исходный протокол, как правило, остается поддерживаемым.

Некоторую ясность среди многообразия модемных протоколов может внести их условная классификация, приведенная на схеме.

Эти режимы определяют в какой степени возможны одновременные приемо- передачи.

Симплексная передача – только в одном направлении (радиовещание). Для передачи данных не применяется, т.к. нет возможности подтверждения правильности приема.

Полудуплексный обмен – передача возможна в двух направлениях, но только не одновременно, а поочередно. Применяется преимущественно в одном направлении, например, как при обмене факсами. Отличается простотой реализации, т.к. не нужно бороться с эхом и с проникновением шумов из обратного канала.

С другой стороны даже при преимущественной передаче в одном направлении требуется некоторое время при переключении для получения обратных подтверждений, отводимая на пересинхронизацию приемника и передатчика. Из-за этого скорость обмена снижается. Проблема снимается при использовании 4-хпроводной линии.

Дуплексная передача.

Возможен одновременный обмен в двух направлениях. Реализуется по-разному:

1. 4-хпроводная реализация – просто, но дорого.

2. 2-хпроводная реализация с частотным разделением каналов. Канал расщепляется на 2 логических подканала, каждый из которых используется для своего направления. В зависимости от того, равны подканалы ширине или нет, различают симметричный и асимметричный дуплекс. Последний используется, если передача идет преимущественно в одном направлении. В любом случае часть ширины канала уходит на зазор для ослабления наводок между ними.

Симметричный дуплекс с эхоподавлением.

Отраженный от АТС собственный выходной сигнал накладывается на входной, искажая его. Для обеспечения эхоподавления на этапе соединения модем с эхоподавлением посылает зондирующие сигналы и определяет параметры эха. Затем он как бы вычитает из входного сигнала эхо.

6. Шина pci

Шина PCI (Peripheral Component Interconnect bus – взаимосвязь периферийных компонентов) - шина соединения периферийных компонентов. Была анонсирована компанией Intel в июне 1992 года.

Эта шина занимает особое место в современной PC-архитектуре, являясь мостом между локальной шиной процессора и шиной ввода-вывода ISA/EISA или MCA. Эта шина разрабатывалась в расчете на Pentium-системы, но хорошо сочетается и с 486 процессорами, а также с не-Intel"овскими процессорами. Шина PCI является четко стандартизованной высокопроизводительной шиной расширения ввода-вывода. PCI – мультиплексная 32-разрядная шина. Существует также 64-разрядная версия. Частота шины 20-33 МГц. Стандарт PCI 2.1 допускает и частоту 66 МГц. Теоретическая максимальная скорость 132/264 Mбайт/с для 32/64 бит при 33 МГц, и 528 Мбайт/с при 66 МГц.

На одной шине PCI может быть не более четырех устройств (слотов). Мост шины PCI (PCI Bridge) - это аппаратные средства подключения шины PCI к другим шинам. Host Bridge - главный мост - используется для подключения PCI к системной шине (шине процессора или процессоров). Peer-to-Peer Bridge - одноранговый мост - используется для соединения двух шин PCI. Две и более шины PCI применяются в мощных серверных платформах - дополнительные шины PCI позволяют увеличить количество подключаемых устройств.

Автоконфигурирование устройств (выбор адресов, запросов прерывания) поддерживается средствами BIOS. Стандарт PCI определяет для каждого слота конфигурационное пространство размером до 256 восьмибитных регистров, не приписанных ни к пространству памяти, ни к пространству ввода-вывода. Доступ к ним осуществляется по специальным циклам шины Configuration Read и Configuration Write, вырабатываемым контроллером при обращении процессора к регистрам контроллера шины PCI, расположенным в его пространстве ввода-вывода.

Шина PCI все обмены трактует как пакетные: каждый кадр начинается фазой адреса, за которой может следовать одна или несколько фаз данных. Количество фаз данных в пакете неопределенно, но ограничено таймером, определяющим максимальное время, в течении которого устройство может пользоваться шиной. Каждое устройство имеет собственный таймер, значение для которого задается при конфигурировании устройств шины.

В каждом обмене участвуют два устройства - инициатор обмена (Initiator) и целевое устройство (Target). Арбитражем запросов на использование шины занимается специальный функциональный узел, входящий в состав чипсета системной платы. Для согласования быстродействия устройств-участников обмена предусмотрены два сигнала готовности.

Шина имеет версии с питанием 5 В, 3.3 В. Также существует универсальная версия (с переключением линий +V I/O c 5 В на 3.3 В). Ключами являются пропущенные ряды контактов. Для 5 В-слота ключ расположен на месте контактов 50, 51; для 3 В - 12, 13; для универсального - два ключа: 12, 13 и 50, 51. Ключи не позволяют установить карту в слот с неподходящим напряжением питания.

В отличие от адаптеров остальных шин, компоненты карт PCI расположены на левой поверхности плат. По этой причине крайний PCI-слот обычно разделяет использование посадочного места адаптера с соседним ISA-слотом (Shared slot).

В современных системах произошел отказ от шин ISA, и шина PCI выходит на главные позиции. Некоторые фирмы для этой шины выпускают карты-прототипы, но, конечно же, доукомплектовать их периферийным адаптером или устройством собственной разработки гораздо сложнее, чем карту ISA. Здесь сказываются и более сложные протоколы, и более высокие частоты (8 МГц у шины ISA против 33 или 66 МГц у шины PCI). Также шина PCI обладает плохой помехоустойчивостью, поэтому для построения измерительных систем и промышленных компьютеров используется не всегда.

В настоящее время на новых системных платах используется PCI 2.2. Она совместима по используемым устройствам с PCI 2.1, отличительная ее особенность – возможность работы на нестандартных частотах - 75, 83, 100 МГц.