7. Методи кодування даних в системах телекомунікацій
7.1. Кодування даних за допомогою самосінхронізірующіхся
В сучасних високошвидкісних системах передачі даних синхронізація передавача і приймача досягається за рахунок використання самосінхронізірующіхся кодів (СК). Кодування переданих даних за допомогою СК полягає в тому, щоб забезпечити регулярні зміни (переходи) рівнів сигналу в каналі. Кожен перехід рівня сигналу від високого до низького рівня або навпаки використовується для підстроювання приймача. Кращими вважаються такі СК, які забезпечують перехід рівня сигналу не менше одного разу протягом інтервалу часу, необхідного на прийом одного інформаційного біта. Чим частіше переходи рівня сигналу, тим надійніше здійснюється синхронізація приймача і впевненіше проводиться ідентифікація прийнятих бітів даних.
Найбільш поширеними є такі самосінхронізірующіхся коди:
· NRZ-код (Non Return to Zero - без повернення до нуля);
· RZ-код (Return to Zero - код з поверненням до нуля);
· PE-код (Phase Encode - фазовий кодування) або манчестерський код;
· AMI (Alternate Mark Inversion) - біполярний код з почергової інверсією рівня.
Можливість кодування повідомлення 1010011 за допомогою перерахованих кодів ілюструється за допомогою рис.7.1.
Мал. 7.1. Ілюстрація самосінхронізірующіхся кодів.
NRZ-код використовує таке уявлення бітів:
· Біти 0 представляються нульовим напругою (0 В);
· Біти 1 представляються напругою + U В.
Цей спосіб кодування є найбільш простим і служить базою для побудови більш досконалих алгоритмів кодування. Однак при передачі довгих серій однойменних бітів (одиниць або нулів) рівень сигналу залишається незмінним для кожної серії, що істотно знижує якість синхронізації і надійність розпізнавання прийнятих бітів (може статися неузгодженість таймера приймача по відношенню до вступнику сигналу і невчасний опитування лінії).
RZ-код. Цифрові дані в цьому коді представляються наступним чином:
· Біти 0 представляються нульовим напругою (0 В);
· Біти 1 представляються значенням + U В в першій половині біта і нульовим напругою (0 В) - у другій половині біта.
Цей спосіб має дві переваги в порівнянні з кодуванням NRZ:
· Вдвічі менший середній рівень напруги в лінії (1 / 4U замість 1/2 U)
для послідовності з рівним числом 1 і 0;
· При передачі безперервній послідовності 1 сигнал в лінії не залишається постійним.
Як видно з рис. 7.1, навіть такий простий лінійний код як RZ використовує більшу кількість переходів рівня сигналу, ніж вихідний інформаційний сигнал у відповідному коді NRZ. Для інформаційної послідовності, представленої на рис. 7.1, в коді NRZ є всього 4 переходи, в той час як в RZ вже налічується 7 переходів рівня сигналу.
При фазовому кодуванні (PE-код) використовується таке уявлення бітів:
· Біти 1 представляються значенням + U в першій половині і напругою - U - у другій половині;
· Біти 0 представляються значенням - U в першій половині і напругою + U - у другій половині.
Аналогічний код, в якому символ 1 передається двійковій парою 10, а символ 0 - парою 01, називається кодом МанчестерII. Таким чином, манчестерський код забезпечує зміна рівня сигналу при поданні кожного біта, а при передачі серій однойменних бітів - подвійне зміна. Володіє хорошими синхронізуючими властивостями. Застосовується в техніці запису інформації на магнітних стрічках, при передачі по коаксіальним і оптоволоконними лініями.
AMI-код використовує такі уявлення бітів:
· Біти 0 представляються нульовим напругою (0 В);
· Біти 1 представляються по черзі значеннями - U або + U (В).
AMI-код володіє хорошими синхронізуючими властивостями при передачі серій одиниць і порівняно простий в реалізації. Недоліком коду є обмеження на щільність нулів в потоці даних, оскільки довгі послідовності нулів ведуть до втрати синхронізації.
7.2. Тракт прийому-передачі даних
Відносний декодер і дескремблер виконують операції, зворотні операціями в кодере і скремблер передавача.
Схема синхронізації виділяє сигнал тактової частоти з сигналу і подає його на інші вузли приймача.
Адаптивний еквалайзер приймача складається з лінії затримки з відводами і набору керованих підсилювачів із змінними коефіцієнтами посилення. Адаптивність еквалайзера полягає в його здатності підстроюватися під параметри каналу протягом сеансу зв'язку. Причому, підстроювання параметрів каналу здійснюється за допомогою керуючих сигналів, вироблюваних в схемі управління еквалайзера за сигналами помилки фази, що надходять з демодулятора.
Для синхронної передачі двійковий сигнал повинен відповідати двом основним вимогам:
· Частота зміни символів (1, 0) повинна забезпечувати надійне виділення тактової частоти безпосередньо з прийнятого сигналу;
· Спектральна щільність потужності переданого сигналу повинна бути, по можливості, постійної і зосередженої в заданій області частот з метою зниження взаємного впливу каналів.
Одним із способів обробки двійкових посилок, що задовольняє даним вимогам є скремблирование (Scramble - перемішування). Скремблирование - це оборотне перетворення структури цифрового потоку без зміни швидкості передачі з метою отримання властивостей випадкової послідовності.
Скремблер реалізує логічну операцію підсумовування за модулем два вихідного і псевдовипадкового довічного сигналів. Дескремблер виділяє з прийнятої послідовності вихідну інформаційну послідовність. На рис. 7.3 показано включення скремблера і дескремблера в канал зв'язку.
Мал. 7.4. Схема скремблювання з самосинхронізацією
Особливістю самосінхронізірующіхся скремблера є те, що він управляється самої ськремблірованний послідовністю, т. Е. Тієї, яка надходить в канал. При втраті синхронизма між скремблер і дескремблером час його відновлення не перевищує числа тактів, рівного числу осередків регістра скремблера.
На приймальній стороні виділення інформаційної послідовності відбувається шляхом додавання за модулем 2 прийнятої ськремблірованний послідовності з псевдовипадковою послідовністю, що формується регістром зсуву. Наприклад, в схемі, зображеної на рис.7.4, вхідна послідовність an c допомогою скремблера перетворюється в двійкову послідовність bn = an Å (Bn-6 Å bn-7), що посилається в канал. У приймальнику з цієї послідовності таким же регістром зсуву, як і в передавачі, формується послідовність a * n = bn Å (Bn-6 Å bn-7), яка ідентична послідовності an.
Одним з недоліків самосинхронизирующихся скремблеров-дескремблеров є притаманне властивість розмноження помилок. Так, в схемі на рис. 7.4 при одній помилку в послідовності bn помилковими виявляються також 6-й і 7-й символи. У загальному випадку вплив помилково прийнятого біта буде проявлятися a раз, де a - число зворотних зв'язків. Даний недолік обмежує число зворотних зв'язків в регістрі зсуву, яке практично не перевищує # 945; = 2.
Другий недолік самосінхронізірующіхся скремблеров пов'язаний з можливістю появи на його вході так званих "критичних ситуацій", коли вихідна послідовність повторюється з періодом, меншим довжини ПСП. Для запобігання таких ситуацій в скремблер і дескремблере відповідно до рекомендацій ITU - T передбачаються спеціальні додаткові схеми контролю, які виявляють періодичність елементів ПСП на вході приймача.
Недоліки, властиві самосинхронізується скремблер-дескремблер. практично відсутні при аддитивном Скремблювання (рис. 7.5).
Скремблер Установка регістрів Дескремблер
в початковий стан
Мал. 7.5. Схема скремблювання з початковою установкою
Однак при цьому потрібна попередня ідентична установка станів регістрів скремблера і дескремблера. У скремблер з початковою установкою, як і в самосінхронізірующіхся скремблер, проводиться підсумовування вхідного сигналу і ПСП, але результуючий сигнал не надходить на вхід регістра. У дескремблере Ськремблірованний послідовність також не проходить через регістр зсуву, тому розмноження помилок не відбувається. Підсумовувані в скремблер послідовності незалежні, тому критичних ситуацій не настає. Відсутність ефекту розмноження помилок і необхідність спеціального захисту від небажаних ситуацій роблять спосіб адитивного скремблювання краще і економічно ефективніше, якщо не враховувати витрат на вирішення завдання взаємної синхронізації пари скремблер-дескремблер.
Розглянемо вплив скремблювання на енергетичний спектр двійкового сигналу (рис.7.6). Ак Ак а б F F 1 / T 1 1 / МТ
Мал. 7.5. Спектр сигналу:
а) до скремблювання; б) після скремблювання
На епюрі а ріс.7.5 зображений приклад енергетичного спектру для періодичного сигналу з періодом Т, що містить 6 двійкових елементів з тривалістю Т0. Після скремблювання ПСП з М = 2 n -1 елементами спектр істотно «збагачується» (ріс.7.5 б). При цьому число складових спектру збільшилася в М разів, причому, рівень кожної складової зменшується в таке ж число раз.