Методы цифрового кодирования

Методы  цифрового кодирования 

      Цифровое кодирование (Digital Encoding) определяет способ представления  битов в физическом канале  передачи данных. 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. 

      Потенциальный код без возвращения  к нулю (NRZ)

      Потенциальное кодирование, также  называется кодированием без  возвращения к нулю (NRZ). При передаче последовательности единиц, сигнал, в отличие от других методов кодирования, не возвращается к нулю в течение такта. В этом варианте кодирования используется следующее представление битов: биты 0 представляются нулевым напряжением (0 В); биты 1 представляются напряжением +V.

[pic]

      Достоинства метода NRZ:

      — Простота реализации.

      — Метод обладает хорошей распознаваемостью  ошибок (благодаря наличию двух  резко отличающихся потенциалов).

      — 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.

      Недостатки метода NRZ:

      — Метод не обладает свойством  самосинхронизации. Даже при наличии  высокоточного тактового генератора приёмник может ошибиться с выбором момента съёма 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. 

      Биполярное Return-to-Zero кодирование (RZ). 

      Return-to-Zero (RZ) описывает линейный код,  используемый в сфере телекоммуникаций, в котором сигнал падает (возвращается) в нуль в течении каждого такта. Так происходит, даже если появляются последовательные 0 или 1 в сигнале. Сигнал самосинхронизирующаяся. Это означает, что не нужно параллельно с сигналом отправлять синхроимпульсы. Минусом является то, что необходимо в два раза увеличить пропускную способность по сравнению с NRZ, что бы достигнуть той же скорости передачи данных. 

"Нули" в  каждом такте называются нейтральным  состоянием или состоянием покоя.  Тем не менее, при использовании RZ все еще имеем некоторую постоянную при блинных последовательностях 0 или 1. 

      Цифровые данные представляются  следующим образом: биты 0 представляются  значением -V в первой половине  и нулевым напряжением во второй; биты 1 представляются значением +V в первой половине и нулевым напряжением во второй. 

      Данный код требует более широкую  полосу пропускания (в 2 раза  больше), но уровень постоянной  составляющей так же ниже в  2 раза по сравнению с Non-Return-to-Zero. 

      Униполярное Return-to-Zero кодирование (RZ). 

      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).

      Метод кодирования NRZI

      NRZI – Non Return to Zero Invertive (инверсное  кодирование без возврата к  нулю) Этот метод является модифицированным  методом Non Return to Zero (NRZ), где для  представления 1 и 0 используются  потенциалы двух уровней. В  коде NRZ I также используется 2 потенциала, но его текущее значение зависит от предыдущего. Если текущее значение бита “1”, то полученный потенциал должен быть инверсией от предыдущего, если значение бита “0” – такой же. 

      Поскольку код незащищен от  долгих последовательностей “нулей” или “единиц”, то это может привести к проблемам синхронизации. Поэтому перед передачей, заданную последовательность битов рекомендуется предварительно закодировать кодом предусматривающим скремблирование (скремблер предназначен для придания свойств случайности передаваемой последовательности данных с целью облегчения выделения тактовой частоты приемником).

      Метод биполярного кодирования  с альтернативной инверсией (AMI)

      Одной из модификаций метода NRZ является метод биполярного кодирования с альтернативной инверсией (Bipolar Alternate Mark Inversion, AMI). В этом методе используются три уровня потенциала - отрицательный, нулевой и положительный. Для кодирования логического нуля используется нулевой потенциал, а логическая единица кодируется либо положительным потенциалом, либо отрицательным, при этом потенциал каждой новой единицы противоположен потенциалу предыдущей.

      Код AMI частично ликвидирует проблемы  постоянной составляющей и отсутствия  самосинхронизации, присущие коду NRZ. Это происходит при передаче длинных последовательностей единиц. В этих случаях сигнал на линии представляет собой последовательность разнополярных импульсов с тем же спектром, что и у кода NRZ, передающего чередующиеся нули и единицы, то есть без постоянной составляющей и с основной гармоникой N/2 Гц (где N - битовая скорость передачи данных). Длинные же последовательности нулей также опасны для кода AMI, как и для кода NRZ - сигнал вырождается в постоянный потенциал нулевой амплитуды. Поэтому код AMI требует дальнейшего улучшения, хотя задача упрощается - осталось справиться только с последовательностями нулей.

      В целом, для различных комбинаций  бит на линии использование  кода AMI приводит к более узкому  спектру сигнала, чем для кода NRZ, а значит, и к более высокой пропускной способности линии. Например, при передаче чередующихся единиц и нулей основная гармоника fo имеет 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 с линии корректного импульса. Сигнал с некорректной полярностью называется запрещенным сигналом (signal violation).

      В коде AMI используются не два,  а три уровня сигнала на  линии. 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.

    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.

      Код HDB3 исправляет любые 4 подряд  идущих нуля в исходной последовательности. Правило формирования кода следующее: каждые 4 нуля заменяются 4 символами, в которых имеется хотя бы один сигнал V. Для подавления постоянной составляющей полярность сигнала V чередуется при последовательных заменах. Для замены используются два способа: 1)если перед заменой исходный код содержал нечётное число единиц то используется последовательность 000V, если чётное то 100V. V- сигнал единицы запрещённого для данного сигнала полярности.

      MLT-3

      MultiLevel Transmission — 3 (многоуровневая передача) — метод кодирования, использующий три уровня сигнала. Метод основывается на циклическом переключении уровней -U, 0, +U, 0. Единице соответствует переход с одного уровня сигнала на следующий. Так же как и в методе NRZ при передаче «нуля» сигнал не меняется. 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 (англ. Fiber Distributed Data Interface — распределённый волоконный интерфейс данных — стандарт передачи данных в локальной сети, протянутой на расстоянии до 200 километров. Стандарт основан на протоколе Token Ring. Кроме большой территории, сеть FDDI способна поддерживать несколько тысяч пользователей. ) на основе медных проводов, известных как CDDI. Также используется в Fast Ethernet 100BASE-TX.

PE - Phase Encode (Manchester, фазовое кодирование, манчестерское  кодирование)

      Код Манчестер-II или манчестерский  код получил наибольшее распространение  в локальных сетях. Он также  относится к самосинхронизирующимся кодам, но в отличие от кода RZ имеет не три, а только два уровня, что обеспечивает лучшую помехозащищенность.

      Логическому нулю соответствует  переход на верхний уровень  в центре битового интервала,  логической единице — переход  на нижний уровень. Логика кодирования хорошо видна на примере передачи последовательности единиц или нулей. При передаче чередующихся битов частота следования импульсов уменьшается в два раза.

      Информационные переходы в средине  бита остаются, а граничные (на  границе битовых интервалов) — при чередовании единиц и нулей отсутствуют. Это выполняется с помощью последовательности запрещающих импульсов. Эти импульсы синхронизируются с информационными и обеспечивают запрет нежелательных граничных переходов.

      Изменение сигнала в центре каждого бита позволяет легко выделить синхросигнал. Самосинхронизация дает возможность передачи больших пакетов информацию без потерь из-за различий тактовой частоты передатчика и приемника.

      Большое достоинство манчестерского  кода — отсутствие постоянной составляющей при передаче длинной последовательности единиц или нулей. Благодаря этому гальваническая развязка сигналов выполняется простейшими способами, например, с помощью импульсных трансформаторов.

      Частотный спектр сигнала при манчестерском кодировании включает только две несущие частоты. Для десятимегабитного протокола — это 10 МГц при передаче сигнала, состоящего из одних нулей или одних единиц, и 5 МГц — для сигнала с чередованием нулей и единиц. Поэтому с помощью полосовых фильтров можно легко отфильтровать все другие частоты.

      Код Манчестер-II нашел применение  в оптоволоконных и электропроводных  сетях. Самый распространенный  протокол локальных сетей Ethernet 10 Мбит/с использует именно этот  код.

      Дифференциальный манчестерский код. Differential Manchester encoding. 

      Differential Manchester encoding (также известный  как CDP; Условный двухфазный код)  это метод кодирования данных, в котором сигнал данных и  сигнал синхронизации объединяются  в единый самосинхронизирующийся поток данных. Это дифференциальное кодирование, которое использует данные о наличии или отсутствии переходов для получения логического значения. Это дает ему ряд преимуществ по сравнению со стандартной кодировкой Манчестера: 

     - Обнаружение перехода менее подвержено влиянию шумов, чем сравнение с неким порогом.

     - Так как важно наличие а  не направление перехода, то полярность  не важна, то есть система  использующая данный код не  чувствительна к перемене проводов  местами (смене полярности сигнала). Другие коды с тем же свойством – NRZI и MLT-3. 

      Единичному биту соответствует  сигнал, уровень первой половины  которого совпадает с уровнем  второй половины предыдущего  сигнала, то есть в данном  случае отсутствует переход в  начале бита. Нулевому биту соответствует сигнал, уровень первой половины которого противоположен уровню второй половины предыдущего бита, то есть появляется переход в начале бита. В середине бита всегда есть переход, независимо от высокого уровня к низкому или наоборот. 

      PAM 5 

      Рассмотренные выше схемы кодирования  сигналов были битовыми. При битовом  кодировании каждому биту соответствует  значение сигнала, определяемое  логикой протокола. 

      При байтовом кодировании уровень  сигнала задают два бита и  более.

     В пятиуровневом коде PAM 5 используется 5 уровней амплитуды и двухбитовое кодирование. Для каждой комбинации задается уровень напряжения. При двухбитовом кодировании для передачи информации необходимо четыре уровня (два во второй степени — 00, 01, 10, 11). Передача двух битов одновременно обеспечивает уменьшение в два раза частоты изменения сигнала. 

      Пятый уровень добавлен для  создания избыточности кода, используемого  для исправления ошибок. Это дает  дополнительный резерв соотношения  сигнал / шум 6 ддБ.

Код PAM 5 используется в протоколе 1000 Base T Gigabit Ethernet. Данный протокол обеспечивает передачу данных со скоростью 1000 Мбит/с при ширине спектра сигнала всего 125 МГц. 

      Как это достигается? Данные  передаются по всем четырем  парам одновременно. Следовательно, каждая пара должна обеспечить скорость 250 Мбит/с. Максимальная частота спектра несущей при передаче двухбитовых символов кода PAM 5 составляет 62,5 МГц. С учетом передачи первой гармоники протоколу 1000 Base T требуется полоса частот до 125 МГц.