На главную  Карта сайта  
Главное меню
Реклама

Методы кодирования данных в системах телекоммуникаций

  7. Методы кодирования данных в системах телекоммуникаций

7.1. Кодирование данных с помощью самосинхронизирующих кодов

В современных высокоскоростных системах передачи данных синхронизация передатчика и приемника достигается за счет использования самосинхронизирующих кодов (СК). Кодирование передаваемых данных с помощью СК заключается в том, чтобы обеспечить регулярные  изменения (переходы) уровней сигнала в канале. Каждый переход уровня сигнала от высокого к низкому уровню или наоборот используется для подстройки приемника. Лучшими считаются такие СК, которые обеспечивают переход уровня сигнала не менее одного раза в течение интервала времени, необходимого на прием одного информационного бита. Чем чаще переходы уровня сигнала, тем надежнее осуществляется синхронизация приемника и увереннее   производится идентификация принимаемых битов данных.

Наиболее распространенными являются следующие самосинхронизирующие коды:

  • NRZ-код (Non Return to Zero – без возврата к нулю);
  • RZ-код (Return to Zero – код с возвращением к нулю);
  • PE-код (Phase Encode – фазовое кодирование) или манчестерский код;
  • AMI (Alternate Mark Inversion) – биполярный код с поочередной инверсией уровня.

Возможность кодирования сообщения 1010011 с помощью перечисленных кодов иллюстрируется с помощью рис.7.1.              

  Рис. 7.1. Иллюстрация самосинхронизирующих кодов.

NRZ-код использует следующее представление битов:

  • биты 0 представляются нулевым напряжением (0 В);
  • биты 1 представляются напряжением +U В.

Этот способ кодирования является наиболее простым  и служит базой для построения более совершенных алгоритмов кодирования. Однако при передаче длинных серий одноименных битов (единиц или нулей) уровень сигнала остается неизменным для каждой серии, что существенно снижает качество синхронизации и надежность распознавания принимаемых битов (может произойти рассогласование таймера приемника по отношению к поступающему сигналу и несвоевременный опрос линии).

RZ-код. Цифровые данные в этом коде представляются следующим образом:

  • биты 0 представляются нулевым напряжением (0 В);
  • биты 1 представляются значением +U В в первой половине бита и нулевым напряжением (0 В) – во второй половине бита.

Этот способ имеет два преимущества по сравнению с кодированием NRZ:

  • вдвое меньший средний уровень напряжения в линии (1/4U вместо 1/2U)

для последовательности с равным числом 1 и 0;

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

Как видно из рис. 7.1, даже такой простой линейный код как RZ использует большее число переходов уровня сигнала, чем исходный информационный сигнал  в соответствующем коде NRZ. Для информационной последовательности, представленной на рис. 7.1, в коде NRZ имеется всего 4 перехода, в то время как в RZ уже насчитывается 7 переходов уровня сигнала.

При фазовом кодировании (PE-код)  используется следующее представление битов:

  • биты 1 представляются значением +U в первой половине и напряжением –U – во второй половине;
  • биты 0 представляются значением –U в первой половине и напряжением +U – во второй половине.

Аналогичный код, в котором символ 1 передается двоичной парой 10, а символ 0 – парой 01, называется кодом Манчестер II. Таким образом, манчестерский код обеспечивает изменение уровня сигнала при представлении каждого бита, а при передаче серий одноименных битов – двойное изменение. Обладает хорошими синхронизирующими свойствами. Применяется в технике записи информации на магнитных лентах, при передаче по коаксиальным и оптоволоконным линиям.

AMI-код использует следующие представления битов:

  • биты 0 представляются нулевым напряжением (0 В);
  • биты 1 представляются поочередно значениями –U или +U (В).

AMI-код обладает хорошими синхронизирующими свойствами при передаче серий единиц и сравнительно прост в реализации. Недостатком кода является ограничение на плотность нулей в потоке данных, поскольку длинные последовательности нулей ведут к потере синхронизации.

7.2. Тракт приема-передачи данных

Передаваемые DTE данные поступают в передатчик модема, который выполняет операции скремблирования, относительного кодирования, синхронизации и модуляции. Он также может выполнять и внесение предыскажений, частично компенсирующих нелинейности амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик (АЧХ и ФЧХ) используемого телефонного канала. Схема передатчика приведена на рис.7.2.

Рис. 7.2. Схема передатчика синхронного модема

Схема синхронизации передатчика получает сигнал опорной частоты от внутреннего генератора или DTE, например, через 24-й контакт интерфейса RS-232. В этом случае модем обязан поддерживать синхронный режим работы не только по каналу с удаленным модемом, но и по интерфейсу DTE-DCE.

Скремблер предназначен для придания свойств случайности (рандомизации) передаваемой последовательности данных ФМ сигналов и производных от них. Применение относительного кодирования позволяет решить проблему неоднозначности фазы восстановленной на приеме несущей.

Модулятор служит для формирования аналогового сигнала в полосе частот телефонного канала 300 – 3400 Гц.

Эквалайзер позволяет компенсировать нелинейные искажения, вносимые каналом передачи.

Приемник модема в свою очередь содержит адаптивный эквалайзер со схемой управления, модулятор с задающим генератором, демодулятор, относительный декодер, дескремблер и схему синхронизации (рис.7.3).

Модулятор приемника и задающий генератор позволяют перенести спектр принимаемого сигнала (300-3400 Гц) в область более высоких частот, для облегчения операций фильтрации и демодуляции.


Рис. 7.3. Схема приемника синхронного модема

Относительный декодер и дескремблер выполняют операции, обратные операциям в кодере и скремблере передатчика.

Схема синхронизации выделяет сигнал тактовой частоты из принимаемого сигнала и подает его на другие узлы приемника.

Адаптивный эквалайзер приемника состоит из линии задержки с отводами и набора управляемых усилителей с изменяемыми коэффициентами усиления.  Адаптивность эквалайзера заключается в его способности подстраиваться под изменяющиеся параметры канала в течение сеанса связи. Причем, подстройка параметров канала осуществляется с помощью управляющих сигналов, вырабатываемых в схеме управления эквалайзера по сигналам ошибки фазы, поступающих с демодулятора.

7.3. Скремблирование

Для синхронной передачи двоичный сигнал должен удовлетворять двум основным требованиям:

  • частота смены символов (1, 0) должна обеспечивать надежное выделение тактовой частоты непосредственно из принимаемого сигнала;
  • спектральная плотность мощности передаваемого сигнала должна быть, по возможности, постоянной и сосредоточенной в заданной области частот с целью снижения взаимного влияния каналов.

Одним из способов обработки двоичных посылок, удовлетворяющим данным требованиям является скремблирование (Scramble – перемешивание). Скремблирование – это обратимое преобразование структуры цифрового потока без изменения скорости передачи с целью получения свойств случайной последовательности.

Скремблер реализует логическую операцию суммирования по модулю два исходного и псевдослучайного двоичного сигналов. Дескремблер выделяет из принятой последовательности исходную информационную последовательность. На рис. 7.4 показано включение скремблера и дескремблера в канал связи.

Рис. 7.4. Схема включения скремблера и дескремблера в канал связи

Основным узлом скремблера является генератор псевдослучайной последовательности (ПСП), выполненный в виде линейного n-каскадного регистра с обратными связями, который формирует последовательность максимальной длины 2n-1. Различают два основных типа скремблеров-дескремблеров: самосинхронизирующиеся и с  начальной установкой (аддитивные).

Схема пары самосинхронизирующихся устройств (скремблера и дескремлера) представлена на рис. 7.5.

Рис. 7.5. Схема скремблирования с самосинхронизацией

Особенностью самосинхронизирующего скремблера является то, что он управляется самой скремблированной последовательностью, т. е. той, которая поступает в канал. При потере синхронизма между скремблером и дескремблером время его восстановления не превышает числа тактов, равного числу ячеек регистра скремблера.
На приемной стороне выделение информационной последовательности происходит путем сложения по модулю 2 принятой скремблированной последовательности с псевдослучайной последовательностью, формируемой регистром сдвига. Например, в схеме, изображенной на рис.7.5, входная последовательность an c помощью скремблера преобразуется в двоичную последовательность bn=an XOR (bn-6 XOR bn-7), посылаемую в канал. В приемнике из этой последовательности таким же регистром сдвига, как и в передатчике, формируется последовательность a*n=bXOR (bn-6 XOR bn-7), которая идентична последовательности an.
Одним из недостатков самосинхронизирующихся скремблеров-дескремблеров является присущее им свойство размножения ошибок. Так, в схеме на рис. 7.5 при одной ошибке в последовательности bn ошибочными оказываются также 6-й и 7-й символы. В общем случае влияние ошибочно принятого бита будет проявляться α раз, где α – число обратных связей. Данный недостаток ограничивает число обратных связей в регистре сдвига, которое практически не превышает α=2.
Второй недостаток самосинхронизирующих скремблеров связан с возможностью появления на его входе так называемых “критических ситуаций”, когда выходная последовательность повторяется с периодом, меньшим длины ПСП. Для предотвращения таких ситуаций в скремблере и дескремблере согласно рекомендациям ITU-T предусматриваются специальные дополнительные схемы контроля, которые выявляют периодичность элементов ПСП на входе приемника.
Недостатки, присущие самосинхронизирующимся скремблеру-дескремблеру, практически отсутствуют при аддитивном скремблировании (рис. 7.6).

Рис. 7.6. Схема скремблирования с начальной установкой

Однако при этом требуется предварительная идентичная установка состояний регистров скремблера и дескремблера. В скремблере с начальной установкой, как и в самосинхронизирующем скремблере, производится суммирование входного сигнала и ПСП, но результирующий сигнал не поступает на вход регистра. В дескремблере скремблированная последовательность также не проходит через регистр сдвига, поэтому размножения ошибок не происходит. Суммируемые в скремблере последовательности независимы, поэтому критических ситуаций не наступает. Отсутствие эффекта размножения ошибок и необходимость специальной защиты от нежелательных ситуаций делают способ аддитивного скремблирования предпочтительнее и экономически эффективнее, если не учитывать затрат на решение задачи взаимной синхронизации пары скремблер-дескремблер.
Рассмотрим влияние скремблирования на энергетический спектр двоичного сигнала (рис.7.7).


Рис. 7.7. Спектр сигнала:
а) до скремблирования; б) после скремблирования

На эпюре а рис.7.7 изображен пример энергетического спектра для периодического сигнала с периодом Т, содержащим 6 двоичных элементов с длительностью Т0. После скремблирования ПСП с М=2n-1 элементами спектр существенно «обогащается» (рис.7.7 б). При этом число составляющих спектра увеличилось в М раз, причем, уровень каждой составляющей уменьшается в такое же число раз.

09.06.2006

Комментарии

ФИО: 
E-mail: 
Тема: 
Комментарий: