Оперативность, качество, доступные цены!
info@smart-sps.ru

Москва, ул. 6-я Радиальная, д.9​

Методы линейного кодирования в цифровых системах передачи данных

 

Передача информации между двумя достаточно удаленными устройствами требует представления ее в виде последовательного потока бит, характеристики которого зависят от особенностей конкретной системы. Физической основой такой системы является линия связи, которая обычно выполняется в виде витой пары проводов, коаксиального кабеля либо оптического световода. В зависимости от расстояния данные, передаваемые по линии, могут однократно или многократно подвергаться ретрансляции с целью восстановления амплитуды и временных характеристик (рис. 1).

 

 

 

 


Рис. 1. Структура типового последовательного канала связи

 

Алгоритмы работы передатчика, ретранслятора и приемника определяются выбранным кодом, предназначенным для передачи по линии, или линейным кодом. Простейшим линейным кодом является униполярный код типа NRZ (поп return to zero, рис. 2, а). В этом коде нули представлены отсутствием импульса (напряжение, близкое нулю), а единицы — наличием импульса (некоторое положительное напряжение). Этот код имеет четыре недостатка.

 

1. Средняя мощность, выделяемая  на нагрузочном резисторе равна:

A2/2R,

где А - амплитуда импульса. Эта величина в два раза превышает мощность при «биполярном» кодировании.

2. Большинство линий связи сопрягаются с аппаратурой через реактивные элементы, такие, как трансформаторы. Поскольку униполярные сигналы всегда содержат постоянную составляющую и значительную долю низкочастотных компонентов в спектре при передаче длинной последовательности единиц, такое сопряжение затруднено или вовсе невозможно.

3. Ретрансляторы и приемники способны надежно восстановить синхронизирующую временную сетку только тогда, когда паузы между импульсами не слишком велики. При передаче достаточно большой последовательности нулей приемник теряет синхронизацию с передатчиком.

4. Отсутствие возможности оперативной регистрации ошибок, таких, как пропадание или появление лишних импульсов из-за помех.

Биполярный сигнал NRZ (рис.2, б) обладает лучшими энергетическими характеристиками. Единица представлена положительным уровнем напряжения, нуль - отрицательным. Средняя мощность равна половине средней мощности униполярного сигнала, хотя перепад уровнен тот же самый. Остальные три недостатка сохраняются. Для их ликвидации необходимо введение избыточности одним из двух способов:

 

 


Рис.2 Алгоритмы формирования основных видов кодировки

 

1. Скорость передачи сигналов по линии выбирается большей, чем скорость передачи информации, без использования дополнительных электрических уровней сигналов.

2. Скорость передачи сигналов по линии выбирается равной скорости передачи информации, однако вводятся дополнительные электрические уровни сигналов.

Примером кода с избыточностью, введенной согласно способу 1, является код «Манчестер-II». Форма биполярного сигнала при передаче кода «Манчестер-II» показана на рис.2, в. Единица кодируется отрицательным перепадом сигнала в середине битового интервала, нуль - положительным перепадом. На границах битовых интервалов сигнал, если это необходимо, меняет значение, «готовясь» к отображению очередного бита в середине следующего битового интервала.

С помощью кода «Манчестер-II» решаются сразу все указанные проблемы. Поскольку число положительных и отрицательных импульсов на любом достаточно большом отрезке времени равно (отличается не более чем на один импульс, что не имеет значения), постоянная составляющая равна нулю. Подстройка синхронизации приемника или ретранслятора производится при передаче каждого бита, т. е. снимается проблема рассинхронизации. Спектр сигнала содержит только две логические составляющие:

F и 2F,

где F - скорость передачи информационных бит. Наличие только двух (а не трех или более) электрических уровней напряжения позволяет надежно их распознавать (хорошая помехозащищенность).

Критерием ошибки может являться «замораживание» сигнала на одном из уровней на время, превышающее время передачи одного информационного бита, поскольку независимо от передаваемого кода сигнал всегда «колеблется» и никогда не «замирает». Плата за чрезвычайно полезные качества - удвоение требуемой пропускной способности связной аппаратуры. Поэтому код «Манчестер-II» широко используется там, где частотные ограничения не являются определяющими, в частности во многих локальных сетях микроЭВМ.

Второй способ введения избыточности связан с добавлением дополнительных электрических уровней, в простейшем случае - третьего, «нулевого» уровня. На рис.2, г приведена форма сигнала с попеременной инверсией знака, так называемого АМI - сигнала (alternate mark inversion). Нули кодируются отсутствием импульсов, а единицы - попеременно положительными и отрицательными импульсами. Постоянная составляющая равна нулю, проблема передачи последовательности единиц отсутствует, обнаруживаются ошибки, нарушающие правильную последовательность знакочередующихся сигналов.

Единственная оставшаяся проблема - потеря синхронизации при передаче последовательности нулей, как и в коде NRZ. Эта проблема решается очень просто: цепочки нулей передатчик заменяет определенными «заготовками» или «кусками» стандартных временных диаграмм. Коды AMI, в которых цепочка из N нулей заменяется определенной подстановкой, называется BNZS – кодами (bipolar with N zeroes substitution).

В коде B3ZS каждые три последовательно расположенных нуля подменяются либо комбинацией B0V, либо 00V. Символ B обозначает импульс, который отвечает правилам кодирования AMI. Символ V обозначает импульс, который нарушает правила кодирования AMI (совпадает по полярности с предыдущим). Выбор одной из этих двух «заготовок» производится так, чтобы, во-первых, число импульсов В между последовательно расположенными импульсами V было нечетным и, во-вторых, чтобы полярность импульсов V чередовалась

(рис.2, д). В коде B6ZS каждые шесть последовательных нулей подменяются комбинацией OVBOVB (рис.2, е).

Коды BNZS получили широкое распространение в вычислительных сетях США и Канады: линии Т1 —1,544 Мбит/с, Т1С — 3,152 Мбит/с, LD-4 -274,176 Мбит/с, Т4—274,176 Мбит/с.

В странах Западной Европы широко используется код HDB3 для работы на скоростях 2,048 и 8,448 Мбит/с. Этот код очень похож на HNZS, поскольку максимально допустимое число нулей, стоящих в цепочке, равно трем. Каждые четыре последовательно расположенных нуля подменяются комбинацией 000V либо B00V. Выбор той или иной комбинации производится так, чтобы, во-первых, число импульсов В между двумя последовательными импульсами V было нечетным и, во-вторых, чтобы полярность импульсов V чередовалась (рис.2, ж).