Алгоритмы цифрового кодирования

Размещено на http://www.allbest.ru/

Алгоритмы цифрового кодирования



1. Методы цифрового кодирования

Цифровое кодирование (Digital Encoding), иногда не совсем корректно называемое модуляцией, определяет способ представления битов в физическом канале передачи данных. В этой статье мы рассмотрим различные варианты цифрового кодирования: от простого метода NRZ (Non Return to Zero без возврата к нулю) до гораздо более сложного HDB3 (High Density Bipolar 3 - биполярное кодирование с высокой плотностью, вариант 3). Простейший метод NRZ используется в протоколах на базе интерфейса RS232, в сетях Ethernet применяется кодирование PE, а в телефонии используется алгоритм HDB3 (этот метод служит для кодирования сигналов в потоках E1 и E2). Выбор метода кодирования зависит от полосы канала связи, используемой кабельной системы, скорости передачи данных и других параметров.

Требования к алгоритмам цифрового кодирования При кодировании цифровых сигналов должны выполняться определенные требования.

1. Малая полоса цифрового сигнала для возможности передачи большого объема данных по имеющемуся физическому каналу.

2. Невысокий уровень постоянного напряжения в линии.

3. Достаточно высокие перепады напряжения для возможности использования сигнальных импульсов (переходов напряжения) для синхронизации приемника и передатчика без добавления в поток сигналов дополнительной информации.

4. Неполяризованный сигнал для того, чтобы можно было не обращать внимания на полярность подключения проводников в каждой паре.

Обзор методов цифрового кодирования

NRZ - Non Return to Zero (без возврата к нулю)

В этом варианте кодирования используется следующее представление битов:

биты 0 представляются нулевым напряжением (0 В);

биты 1 представляются напряжением +V.

Этот метод кодирования является наиболее простым и служит базой для построения более совершенных алгоритмов кодирования. Кодированию по методу NRZ присущ целый ряд недостатков:

высокий уровень постоянного напряжения (среднее значение 1/2V вольт для последовательности, содержащей равное число 1 и 0);

широкая полоса сигнала (от 0 Гц для последовательности, содержащей только 1 или только 0 до половины скорости передачи данных при чередовании 10101010);

возможность возникновения продолжительных периодов передачи постоянного уровня (длинная последовательность 1 или 0) в результате чего затрудняется синхронизация устройств;

сигнал является поляризованным.

RZ - Return to Zero (возврат к нулю)

Цифровые данные представляются следующим образом:

биты 0 представляются нулевым напряжением (0 В);

биты 1 представляются значением +V в первой половине и нулевым напряжением во второй, т.е. единице соответствует импульс напряжения продолжительностью в половину продолжительности передачи одного бита данных.

Этот метод имеет два преимущества по сравнению с кодированием NRZ:

* средний уровень напряжения в линии составляет 1/4V (вместо 1/2 V);

* при передаче непрерывной последовательности 1 сигнал в линии не остается постоянным.

Однако при использовании кодирования RZ полоса сигнала может достигать значений, равных скорости передачи данных (при передаче последовательности 1). NRZ I - Non Return to Zero Invertive (инверсное кодирование без возврата к нулю) Этот метод кодирования использует следующие представления битов цифрового потока:

* биты 0 представляются нулевым напряжением (0 В);

* биты 1 представляются напряжением 0 или +V в зависимости от предшествовавшего этому биту напряжения.

Если предыдущее напряжение было равно 0, единица будет представлена значением +V, а в случаях, когда предыдущий уровень составлял +V для представления единицы, будет использовано напряжение 0 В. Этот алгоритм обеспечивает малую полосу (как при методе NRZ) в сочетании с частыми изменениями напряжения (как в RZ), а кроме того, обеспечивает неполярный сигнал (т. е. проводники в линии можно поменять местами). AMI - Alternate Mark Inversion (поочередная инверсия единиц)



Этот метод кодирования использует следующие представления битов:

* биты 0 представляются нулевым напряжением (0 В); * биты 1' представляются поочередно значениями +V и -V. Этот метод подобен алгоритму RZ, но обеспечивает в линии нулевой уровень постоянного напряжения. Недостатком метода AMI является ограничение на плотность нулей в потоке данных, поскольку длинные последовательности 0 ведут к потере синхронизации. HDB3 - High Density Bipolar 3 (биполярное кодирование с высокой плотностью)

Представление битов в методе HDB3 лишь незначительно отличается от представления, используемого алгоритмом AMI: При наличии в потоке данных 4 последовательных битов 0 последовательность изменяется на 000V, где полярность бита V такая же, как для предшествующего ненулевого импульса (в отличие от кодирования битов 1, для которых знак сигнала V изменяется поочередно для каждой единицы в потоке данных). Этот алгоритм снимает ограничения на плотность 0, присущие кодированию AMI, но порождает взамен новую проблему - в линии появляется отличный от нуля уровень постоянного напряжения за счет того, что полярность отличных от нуля импульсов совпадает. Для решения этой проблемы полярность бита V изменяется по сравнению с полярностью предшествующего бита V. Когда это происходит, битовый поток изменяется на B00V, где полярность бита B совпадает с полярностью бита V. Когда приемник получает бит B, он думает, что этот сигнал соответствует значению 1, но после получения бита V (с такой же полярностью) приемник может корректно трактовать биты B и V как 0. Метод HDB3 удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к алгоритмам цифрового кодирования, но при использовании этого метода могут возникать некоторые проблемы. PE - Phase Encode (Manchester, фазовое кодирование, манчестерское кодирование)

При фазовом кодировании используется следующее представление битов:

* биты 0 представляются напряжением +V в первой половине бита и напряжением -V - во второй половине;

* биты 1 представляются напряжением -V в первой половине бита и напряжением +V - во второй половине. Этот алгоритм удовлетворяет всем предъявляемым требованиям, но передаваемый в линию сигнал имеет широкую полосу и является поляризованным. CDP - Conditional Diphase

Этот метод является комбинацией алгоритмов NRZI и PE и использует следующие представления битов цифрового потока:

* биты 0 представляются переходом напряжения в том же направлении, что и для предшествующего бита (от +V к -V или от -V к +V);

* биты 1 представляются переходом напряжения в направлении, противоположном предшествующему биту (от +V к -V или от -V к +V). Этот алгоритм обеспечивает неполярный сигнал, который занимает достаточно широкую полосу.



2. Кодирование цифровых сигналов

В современной информатике используются в основном три системы счисления (все - позиционные): двоичная, шестнадцатеричная и десятичная.

Двоичная система счисления используется для кодирования дискретного сигнала, потребителем которого является вычислительная техника. В этой системе счисления для представления числа применяются два знака - "0" и "1". Такое положение дел сложилось исторически, поскольку двоичный сигнал проще представлять на аппаратном уровне. На рис. 1 представлены простейшие примеры представления двоичного (цифрового) сигнала (кодирования) на физическом уровне.

Рис. 1. Представление цифрового сигнала

Как следует из рисунка двоичный сигнал, обозначаемый знаком "0", можно представить в виде отсутствия электрического тока в линии (рис. 1а), наличия тока отрицательной полярности в линии (рис. 1б) или частотой синусоидального колебания f1(рис. 1в). Тогда двоичный сигнал, обозначаемый знаком "1", можно представить альтернативными значениями: присутствием тока в линии, током положительной полярности или частотой синусоидального колебания f2 .

Линия связи (рис. 2) состоит в общем случае из физической среды, по которой передаются электрические информационные сигналы, аппаратуры передачи данных и промежуточной аппаратуры. Синонимом термина линия связи (line) является термин канал связи(channel).

Рис. 2. Линия связи

Физическая среда передачи данных (medium) может представлять собой кабель, то есть набор проводов, изоляционных и защитных оболочек и соединительных разъемов, а также земную атмосферу или космическое пространство, через которые распространяются электромагнитные волны.

В зависимости от физической среды передачи данных линии связи разделяются на следующие (рис. 3): проводные (воздушные); кабельные (медные и волоконно-оптические); радиоканалы наземной и спутниковой связи.

Рис. 3. Типы линий связи

Отсюда следует, что формы двоичного сигнала (рис. 1) далеко не всегда соответствуют характеристикам линий (каналов) связи. Так, например, двоичный сигнал, представленный в виде наличия и отсутствия электрического тока, может быть использован только в однородной физической среде проводных и кабельных медных линиях связи и при отсутствии в них емкостных и индуктивных элементов, т.е. конденсаторов и трансформаторов соответственно. В кабельных волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС) ни одна из представленных трех форм двоичного сигнала не может быть использована без дополнительного преобразования. Поэтому для согласования двоичных сигналов с параметрами той или иной линии (канала) связи используются различные методы преобразования, модуляции и кодирования их первичных форм. К дискретным первичным сигналам применяются различные методы цифрового кодирования.

При использовании прямоугольных импульсов для передачи дискретной информации необходимо выбрать такой метод кодирования, который одновременно достигал бы нескольких целей: имел при одной и той же битовой скорости наименьшую ширину спектра результирующего сигнала; обеспечивал синхронизацию между передатчиком и приемником; обладал способностью распознавать ошибки; обладал низкой стоимостью реализации.

Более узкий спектр сигналов позволяет на одной и той же линии (с одной и той же полосой пропускания) добиваться более высокой скорости передачи данных. Кроме того, часто к спектру сигнала предъявляется требование отсутствия постоянной составляющей, то есть наличия постоянного тока между передатчиком и приемником.

Синхронизация передатчика и приемника нужна для того, чтобы приемник точно знал, в какой момент времени необходимо считывать новую информацию из канала связи. Эта проблема в сетях решается сложнее, чем при обмене данными между близко расположенными устройствами, например, между блоками внутри компьютера или же между компьютером и принтером. Так, на небольших расстояниях хорошо зарекомендовала себя схема, которая использует отдельную линию связи, т.е. информация считывается из канала связи только в момент прихода тактового импульса. В сетях использование этой схемы вызывает трудности из-за неоднородности характеристик проводников в кабелях. На больших расстояниях неравномерность скорости распространения сигнала может привести к тому, что тактовый импульс придет настолько позже или раньше соответствующего сигнала данных, что бит данных будет пропущен или считан повторно. Другой причиной, по которой в сетях отказываются от использования тактирующих импульсов, является экономия проводников в дорогостоящих кабелях.

Поэтому в сетях применяются так называемые самосинхронизирующиеся коды, сигналы которых несут для передатчика информацию о том, в какой момент времени нужно осуществлять распознавание очередного бита (или нескольких бит, если код ориентирован более чем на два состояния сигнала). Любой резкий перепад сигнала - так называемый фронт - может служить хорошим указанием для синхронизации приемника с передатчиком.

При использовании синусоид в качестве несущего сигнала результирующий код обладает свойством самосинхронизации, так как изменение амплитуды несущей частоты дает возможность приемнику определить момент появления входного кода.

Распознавание и коррекцию искаженных данных сложно осуществить средствами физического уровня, поэтому чаще всего эту работу берут на себя протоколы, лежащие выше: канальный, сетевой, транспортный или прикладной. С другой стороны, распознавание ошибок на физическом уровне экономит время, так как приемник не ждет полного помещения кадра в буфер, а отбраковывает его сразу при распознавании ошибочных бит внутри кадра.

Таким образом, требования, предъявляемые к методам кодирования, являются взаимно противоречивыми, поэтому каждый из рассматриваемых ниже популярных методов цифрового кодирования обладает своими преимуществами и своими недостатками, по сравнению с другими.

Методы кодирования подразделяются на физические и логические. Физические методы кодирования обеспечиваются аппаратными средствами. Логическое кодирование обеспечивается специализированными алгоритмами.

3. Форматы кодов

Каждый бит кодового слова передается или записывается с помощью дискретных сигналов, например, импульсов. Способ представления исходного кода определенными сигналами определяется форматом кода. Известно большое количество форматов, каждый из которых имеет свои достоинства и недостатки и предназначен для использования в определенной аппаратуре.

Формат БВН (без возвращения к нулю) естественным образом соответствует режиму работы логических схем. Единичный бит передается в пределах такта и уровень не меняется. Положительный перепад означает переход из 0 к 1 в исходном коде, отрицательный -- от 1 к 0. Отсутствие перепадов показывает, что значения предыдущего и последующего битов равны. Для декодирования кодов в формате БВН необходимы тактовые импульсы, так как в его спектре не содержится тактовая частота. Соответствующий коду формата БВН сигнал содержит низкочастотные компоненты (при передаче длинных серий нулей или единиц перепады не возникают).

Формат БВН-1 (без возвращения к нулю с перепадом при передаче 1) является разновидностью формата БВН. В отличие от последнего в БВН-1 уровень не передает данные, так как и положительные и отрицательные перепады соответствуют единичным битам. Перепады сигнала формируются при передаче 1. При передаче 0 уровень не меняется. Для декодирования требуются тактовые импульсы.

Формат БВН-0 (без возвращения к нулю с перепадом при передаче 0) является дополнительным к БВН-1 (перепады соответствуют нулевым битам исходного кода). В многодорожечных системах записи цифровых сигналов вместе с кодом в формате БВН надо записывать тактовые импульсы. Возможным вариантом является запись двух дополнительных сигналов, соответствующих кодам в форматах БВН-1 и БВН-0. В одном из двух сигналов перепады происходят в каждом такте, что позволяет получить импульсы тактовой частоты.

Формат ВН (с возвращением к нулю) требует передачи импульса, занимающего только часть тактового интервала (например, половину), при одиночном бите. При нулевом бите импульс не формируется.

Формат ВН-П (с активной паузой) означает передачу импульса положительной полярности при единичном бите и отрицательной -- при нулевом бите. Сигнал этого формата имеет в спектре компоненты тактовой частоты. Он применяется в ряде случаев для передачи данных по линиям связи.

Формат ДФ-0 (двухфазный со скачком фазы при передаче 0) соответствует способу представления, при котором перепады формируются в начале каждого такта. При единичных битах сигнал в этом формате меняется с тактовой частотой, то есть в середине каждого такта происходит перепад уровня. При передаче нулевого бита перепад в середине такта не формируется, то есть имеет место скачок фазы. Код в данном формате обладает возможностью самосинхронизации и не требует передачи тактовых сигналов.

Направление перепада при передаче сигнала единицы не имеет значения. Поэтому изменение полярности кодированного сигнала не влияет на результат декодирования. Он может передаваться по симметричным линиям без постоянной составляющей. Это также упрощает его магнитную запись. Этот формат известен также под названием "Манчестер 1". Он используется в адресно-временном коде SMPTE, широко применяющемся для синхронизации носителей звуковой и видеоинформации.

4. Бинарное кодирование

Код без возврата к нулю

Потенциальное кодирование, также называется кодированием без возвращения к нулю (NRZ - Non Return to Zero). При передаче нуля он передает потенциал, который был установлен на предыдущем такте (то есть не меняет его), а при передаче единицы потенциал инвертируется на противоположный. Этот код называется потенциальным кодом с инверсией при единице (NRZI - Non Return to Zero with ones Inverted ). Этот код также удобен в тех случаях, когда использование третьего уровня сигнала весьма нежелательно, например в оптических кабелях, где устойчиво распознаются два состояния сигнала - свет и темнота.

Рис. 4. NRZ - код без возврата к нулю

Рис. 5. NRZI - код без возврата к нулю

В потенциальном коде NRZ (рис. 4) для передачи единиц и нулей используются два устойчиво различаемых потенциала: биты 0 представляются значением U (В); биты 1 представляются нулевым напряжением (0 В).

Код NRZ прост в реализации, обладает хорошей распознаваемостью ошибок (из-за двух резко отличающихся потенциалов), но не обладает свойством самосинхронизации. Основная гармоника f0 имеет достаточно низкую частоту (равную N/2 Гц, где N -- битовая скорость передачи дискретных данных [бит/с]), что приводит к узкому спектру.

Однако при передаче длинной последовательности единиц или нулей сигнал на линии не изменяется, поэтому приемник лишен возможности определять по входному сигналу моменты времени, когда нужно в очередной раз считывать данные. Даже при наличии высокоточного тактового генератора приемник может ошибиться с моментом съема данных, так как частоты двух генераторов никогда не бывают полностью идентичными. Поэтому при высоких скоростях обмена данными и длинных последовательностях единиц или нулей небольшое рассогласование тактовых частот может привести к ошибке в целый такт и, соответственно, считыванию некорректного значения бита.

Вторым серьёзным недостатком метода, является наличие низкочастотной составляющей, которая приближается к постоянному сигналу при передаче длинных последовательностей единиц и нулей. Из-за этого многие линии связи, не обеспечивающие прямого гальванического соединения между приёмником и источником, этот вид кодирования не поддерживают. Поэтому в сетях код NRZ в основном используется в виде различных его модификаций, в которых устранены как плохая самосинхронизация кода, так и проблемы постоянной составляющей.

В потенциальном коде с инверсией при единице NRZI (рис. 5) при передаче последовательности единиц, сигнал, в отличие от других методов кодирования, не возвращается к нулю в течение такта, т.е. смена сигнала происходит при передаче единицы, передача нуля не приводит к изменению напряжения.

Этот код использует следующие представления битов цифрового потока: биты 0 представляются нулевым напряжением (0 В); биты 1 представляются напряжением 0 или +V в зависимости от предшествовавшего этому биту напряжения. Если предыдущее напряжение было равно 0, единица будет представлена значением +V, а в случаях, когда предыдущий уровень составлял +V для представления единицы, будет использовано напряжение 0 В.

Такой алгоритм обеспечивает малую полосу пропускания (как при методе NRZ) в сочетании с частыми изменениями напряжения (как в RZ), а кроме того, обеспечивает неполярный сигнал (т. е. проводники в линии можно поменять местами).

Многие годы популярным был протокол связи через последовательный порт компьютеров -- RS232А, использующий код NRZ.

Код с возвратом к нулю

В этом случае каждый бит передается тремя уровнями напряжения. Поэтому требует в 2 раза больше скорости по сравнению с обычной скоростью. Основной характеристикой кода RZ является то, что в середине каждого бита всегда есть переход (положительный или отрицательный), обозначающий каждый бит. Нужный для обработки сигнала. Синхроимпульс (строб) выделяется приемником из самого сигнала. Коды со стробом называются самосинхронизирующимися. Это биполярный код, то есть изменение сигнала происходит между тремя уровнями. Наиболее часто код RZ применяется в оптоволоконных линиях связи. Однако при передаче используются три уровня мощности световых импульсов, поскольку оптические сигналы не бывают положительными или отрицательными.

Рис. 6. RZ - код с возвратом к нулю



Цифровые данные представляются следующим образом (рис. 6): биты 0 представляются нулевым напряжением (0 В); биты 1 представляются значением +V в первой половине и нулевым напряжением во второй, т.е. единице соответствует импульс напряжения продолжительностью в половину продолжительности передачи одного бита данных.

Этот метод имеет два преимущества по сравнению с кодированием NRZ: средний уровень напряжения в линии составляет 1/4V (вместо 1/2 V); при передаче непрерывной последовательности 1 сигнал в линии не остается постоянным. Однако при использовании кодирования RZ полоса сигнала может достигать значений, равных скорости передачи данных (при передаче последовательности 1).

Код RZ не отличается высокой плотностью передачи данных -- при тактовой частоте 10 МГц она равна всего 10 Мбит/с. К тому же, чтобы различать три уровня сигнала, на входе приемника необходимо обеспечить лучшее отношение сигнал/шум, чем при использовании двух уровней.

Манчестерское кодирование

В локальных сетях до недавнего времени самым распространенным методом кодирования был так называемый манчестерский код или Манчестер-II (рис. 7). Он применяется в технологиях Ethernet, Token Ring, в оптоволоконных и электропроводных сетях.

Рис. 7. Манчестерское кодирование

При манчестерском кодировании каждый такт делится на две части. Информация кодируется перепадами потенциала в середине каждого такта. Единица кодируется перепадом от низкого уровня сигнала к высокому, а ноль -- обратным перепадом. В начале каждого такта может происходить служебный перепад сигнала, если нужно представить несколько единиц или нулей подряд. Так как сигнал изменяется по крайней мере один раз за такт передачи одного бита данных, то манчестерский код, как и RZ, обладает хорошими самосинхронизирующими свойствами, но в отличие от RZ-кода имеет не три, а два уровня, что обеспечивает лучшую помехозащищенность канала. Логическому нулю соответствует переход на верхний уровень в центре битового интервала, логической единице -- переход на нижний уровень.

Важная характеристика манчестерского кода -- отсутствие у сигнала постоянной составляющей при передаче длинной последовательности единиц или нулей. Благодаря этому передатчики и приемники можно “развязать” гальванически с помощью импульсных трансформаторов.

Спектр сигнала при манчестерском кодировании содержит только две частотные составляющие. Для десятимегабитового протокола это 10 МГц при передаче последовательности одних нулей или единиц и 5 МГц при их чередовании. Поэтому все другие частоты можно удалить с помощью полосовых фильтров.

Полоса пропускания манчестерского кода уже, чем у биполярного импульсного. У манчестерского кода нет постоянной составляющей (меняется каждый такт), а основная гармоника в худшем случае (при передаче последовательности единиц или нулей) имеет частоту N Гц, а в лучшем случае (при передаче чередующихся единиц и нулей) -- N/2 Гц, как и у кодов AMI или NRZ. Манчестерский код имеет еще одно преимущество перед биполярным импульсным кодом. В последнем для передачи данных используются три уровня сигнала, а в манчестерском - два. В среднем ширина полосы манчестерского кода в полтора раза уже, чем у биполярного импульсного кода, а основная гармоника колеблется вблизи значения 3N/4, но ширина спектра при манчестерском кодировании в два раза шире чем при NRZ кодировании.

Дифференциальное манчестерское кодирование(differential manchester encoding)

При дифференциально манчестерском кодировании - двухфазном полярном самосинхронизирующимся кодировании (рис. 8) в течение битового интервала (времени передачи одного бита) уровень сигнала может меняться дважды. Логический ноль кодируется наличием перепада потенциала в начале такта, а логическая единица - отсутствием перепада. В середине такта всегда происходит изменение уровня (для синхронизации). Получается, что при передаче нуля в начале битового интервала происходит перепад уровней, а при передаче единицы такой перепад отсутствует.

Рис. 8. Дифференциальное манчестерское кодирование

В Token Ring применяется модификация этого метода. Кроме “0” и “1”, используются служебные биты “J” и“K”, не имеющие перепада в середине такта (“J” не имеет перепада в начале такта, “К” - имеет).

Двухфазная схема имеет ряд преимуществ, среди которых: - надежная синхронизация приемника при передаче каждого бита; - сигналы в двухфазной кодировке не имеют постоянной составляющей; - отсутствие ожидаемого перехода можно использовать для обнаружения возможных ошибок.

5. Биполярный код AMI

Одной из модификаций метода NRZ является метод биполярного кодирования с альтернативной инверсией (Bipolar Alternate Mark Inversion, AMI). В биполярном коде данные представлены полным импульсом или же его частью - фронтом (рис. 9). AMI-код использует следующие представления битов: биты 0 представляются нулевым напряжением (0 В); биты 1 представляются поочерёдно значениями -U или +U (В).

Рис. 9. Биполярный код AMI

Из рисунка видно, что каждый импульс длится половину такта. Такой код обладает отличными самосинхронизирующими свойствами. При передаче чередующихся единиц и нулей основная гармоника foимеет частоту N/4 Гц. Код AMI предоставляет также некоторые возможности по распознаванию ошибочных сигналов. Так, нарушение строгого чередования полярности сигналов говорит о ложном импульсе или исчезновении в линии связи корректного импульса. Сигнал с некорректной полярностью называется запрещенным сигналом (signal violation). Однако постоянная составляющая, может присутствовать, например, при передаче длинной последовательности единиц или нулей. Недостатком кода является ограничение на плотность нулей в потоке данных, поскольку длинные последовательности нулей ведут к потере синхронизации.

В коде AMI используются не два, а три уровня сигнала на линии связи. Дополнительный уровень требует увеличение мощности передатчика примерно на 3 дБ для обеспечения той же достоверности приема бит на линии, что является общим недостатком кодов с несколькими состояниями сигнала по сравнению с кодами, которые различают только два состояния.

Кроме того, спектр у него шире, чем у потенциальных кодов. Так, при передаче всех нулей или единиц частота основной гармоники кода будет равна N Гц, что в два раза выше основной гармоники кода NRZ и в четыре раза выше основной гармоники кода AMI при передаче чередующихся единиц и нулей. Из-за слишком широкого спектра биполярный импульсный код используется редко.

Потенциальный код 2B1Q

Код 2B1Q, название которого отражает его суть, (рис. 10) передает пару бит за один такт сигналом, имеющим четыре состояния (1Q). Каждой возможной паре в соответствие ставится свой уровень потенциала. Паре бит 00 соответствует потенциал -2,5 В, паре бит 01 соответствует потенциал -0,833 В, паре 11 - потенциал +0,833 В, а паре 10 - потенциал +2,5 В.

Рис. 10. Потенциальный код 2B1Q

При таком способе кодирования требуются дополнительные меры по борьбе с длинными последовательностями одинаковых пар бит, так как при этом сигнал превращается в постоянную составляющую. При случайном чередовании бит спектр сигнала в два раза уже, чем у кода NRZ, так как при той же битовой скорости длительность такта увеличивается в два раза. Таким образом, с помощью кода2B1Q можно по одной и той же линии связи передавать данные в два раза быстрее, чем с помощью кодаAMI или NRZI, так как сигнальная скорость у этого метода в два раза ниже, а спектр сигнала в два раза уже. Однако для его реализации мощность передатчика должна быть выше, а приемник более сложным, чтобы четыре уровня четко различались на фоне помех.

Биполярное кодирование с высокой плотностью HDB3

Код HDB3 (High Density Bipolar 3) исправляет любые 4 подряд идущие нули в исходной последовательности. Правило формирования кода следующее (рис. 11): при наличии в потоке данных 4 последовательных битов 0 последовательность изменяется на 000V, где полярность бита V такая же, как для предшествующего ненулевого импульса (в отличие от кодирования битов 1, для которых знак сигнала Vизменяется поочередно для каждой единицы в потоке данных). Для подавления постоянной составляющей полярность сигнала V чередуется при последовательных заменах. Для замены используются два метода: если перед заменой исходный код содержал нечётное число единиц то используется последовательность000V, если чётное то 100V. V-cигнал единицы запрещённого для данного сигнала полярности.

Рис. 11. Биполярное кодирование с высокой плотностью HDB3

Представление битов в методе HDB3 лишь незначительно отличается от представления, используемого алгоритмом AMI, только кодирование последовательностей из четырех нулей заменяется на код -V, 0, 0, -Vили +V, 0, 0, +V -- в зависимости от предыдущей фазы сигнала.

Такой алгоритм снимает ограничения на плотность 0, присущие кодированию AMI, но порождает взамен новую проблему - в линии связи появляется отличный от нуля уровень постоянного напряжения за счет того, что полярность отличных от нуля импульсов совпадает. Для решения этой проблемы полярность бита Vизменяется по сравнению с полярностью предшествующего бита V. Когда это происходит, битовый поток изменяется на B00V, где полярность бита B совпадает с полярностью бита V. Когда приемник получает битB, он думает, что этот сигнал соответствует значению 1, но после получения бита V (с такой же полярностью) приемник может корректно трактовать биты B и V как 0.

Метод HDB3 удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к алгоритмам цифрового кодирования, но при использовании этого метода могут возникать некоторые проблемы.

Код трехуровневой передачи MLT-3

В коде MLT-3 (Multi Level Transmission -- многоуровневая передача) используется три уровня линейного сигнала: "-1", "0", "+1" (рис. 12). Изменение уровня сигнала происходит последовательно, с учетом предыдущего перехода. При такой схеме один цикл сигнала вмещает в себя четыре бита. В этом случае fо = N/4 (Гц). Это максимальная основная частота сигнала в коде MLT-3. В случае чередующейся последовательности нулей и единиц основная гармоника сигнала находится на частоте fо = N/8 (Гц).

Рис. 12. Код трехуровневой передачи MLT-3

Метод основывается на циклическом переключении уровней -U, 0, +U, 0 и имеет много общего с кодом NRZ. Единице соответствует переход с одного уровня сигнала на следующий. Так же как и в методе NRZ при передаче "нуля" сигнал не меняется. Информационные переходы совпадают с границей битов. В случае наиболее частого переключения уровней (длинная последовательность единиц) для завершения цикла необходимо четыре перехода. Это позволяет вчетверо снизить частоту несущей относительно тактовой частоты, что делает MLT-3 удобным методом при использовании в качестве среды передачи медных проводов. Метод разработан Cisco Systems для использования в сетях FDDI на основе медных проводов, известных как CDDI. Также используется в Fast Ethernet 100BASE-TX.

Недостатком кода MLT-3, как и кода NRZ, является отсутствие синхронизации. Эта проблема решается с помощью преобразования данных, которое исключает длинные последовательности нулей и, следовательно, возможность рассинхронизации.

6. Кодирование данных

цифровой кодирование связь телефония

Различают множество методов кодирования цифровых данных. Все методы связаны со скоростью их передачи по линии связи, сетевым оборудованием и безопасностью передаваемой информации.

При выборе метода кодирования данных основными критериями являются: наличие или отсутствие постоянной составляющей; обеспечение совместной работы приемника и передатчика; быстрая обработка ошибок в процессе передачи и приема

Для передачи данных по шине используется дифференциальный способ передачи сигналов D+ и D- по двум проводам. Все данные кодируются с помощью метода NRZI. Синхронизация при цифровом кодировании данных бывает: побитовой, побайтовой, посимвольной, поблочной, потоковой.

Так, например, в USB логический 0 определяется как изменение напряжения, а логическая 1 как неизменение напряжения. Этот метод представляет собой модификацию обычного потенциального метода кодирования NRZ, когда для представления 1 и 0 используются потенциалы двух уровней, но в методе NRZIпотенциал, используемый для кодирования текущего бита, зависит от потенциала, который использовался для кодирования предыдущего бита. Если текущий бит имеет значение 0, то текущий потенциал представляет собой инверсию потенциала предыдущего бита, независимо от его значения. Если же текущий бит имеет значение 1, то текущий потенциал повторяет предыдущий. Очевидно, что если данные содержат нули, то приемнику и передатчику достаточно легко поддерживать синхронизацию - уровень сигнала будет постоянно меняться. А вот если данные содержат длинную последовательность единиц, то уровень сигнала меняться не будет, и, возможна, рассинхронизация. Следовательно, для надежной передачи данных нужно исключить из кодов слишком длинные последовательности единиц. Это действие называется стаффинг (Bit stuffing): после каждых шести единиц автоматически добавляется 0.

Стаффинг может увеличить число передаваемых бит до 17%, но на практике эта величина значительно меньше. Для устройств, подключаемых к шине USB, кодирование происходит прозрачно: USB-контроллеры производят кодирование и декодирование автоматически.

Логическое кодирование

Логическое кодирование применяется для преобразования исходной последовательности в последовательность с максимально возможным количеством чередований логических нулей и единиц. При этом используются два метода: - применение избыточных кодов; - скремблирование.

Примером избыточного кодирования может служить код 4В/5В, использующийся в сетях FDDI, Fast Ethernet. При использовании данного кода каждой 4-битовой комбинации исходной последовательности ставится в соответствие 5-битовая. При этом исключаются все комбинации, содержащие три и более идущих подряд нулей. Например, исходная комбинация 0001преобразуется в 01001, а 0000 - в 11110.

Скремблирование представляет собой "перемешивание" исходной последовательности данных таким образом, чтобы вероятность появления единиц и нулей в линии связи становилась близкой 0,5. Устройства (или программные модули), реализующее данную операцию, называются скремблерами (scramble - свалка, беспорядочная сборка), а обратную операцию - дескремблерами.

Скремблер в передатчике выполняет преобразование структуры исходного цифрового потока. Дескремблер в приемнике восстанавливает исходную последовательность бит. Практически единственной операцией, используемой в скремблерах и дескремблерах, является XOR - "побитное исключающее ИЛИ" (сложение по модулю 2).

На рис. 13 представлен один из вариантов скремблирования.

Рис. 13. Вариант реализации скремблирования

Пусть, например, скремблер реализует соотношение

Вi = Ai + Bi-5 + Bi-7

Здесь Bi - бит результирующего кода, полученный на i-м такте работы скремблера; Ai - бит исходного кода, поступающий в передатчике на вход скремблера на i-м такте; Bi-5 и Bi-7 - биты результирующего кода, полученные на предыдущих тактах работы скремблера, соответственно на "i-5" и "i-7" тактах.

Дескремблер в приемнике восстанавливает исходную последовательность, используя соотношение

Ci = Bi + Bi-5 + Bi-7 = (Ai + Bi-5 + Bi-7) + Bi-5 + Bi-7 = Ai.

Размещено на Allbest.ru

...