Потенциальный код с инверсией при единице

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

Для улучшения потенциальных кодов, подобных AMI и NRZI, используются два метода. Первый метод основан на добавлении в исходный код избыточных бит, содержащих логические единицы. Очевидно, что в этом случае длинные последовательности нулей прерываются и код становится самосинхронизирующимся для любых передаваемых данных. Исчезает также постоянная составляющая, а значит, еще более сужается спектр сигнала. Но этот метод снижает полезную пропускную способность линии, так как избыточные единицы пользовательской информации не несут. Другой метод основан на предварительном «перемешивании» исходной информации таким образом, чтобы вероятность появления единиц и нулей на линии становилась близкой. Устройства, или блоки, выполняющие такую операцию, называются трамблерами (scramble - свалка, беспорядочная сборка). При скремблировании используется известный алгоритм, поэтому приемник, получив двоичные данные, передает их на дескрэмблер, который восстанавливает исходную последовательность бит. Избыточные биты при этом по линии не передаются. Оба метода относятся к логическому, а не физическому кодированию, так как форму сигналов на линии они не определяют. Более детально они изучаются в следующем разделе.

Рис. 1.1. Способы дискретного кодирования данных

Биполярный импульсный код

Кроме потенциальных кодов в сетях используются и импульсные коды, когда данные представлены полным импульсом или же его частью - фронтом. Наиболее простым случаем такого подхода является биполярный импульсный код, в котором единица представлена импульсом одной полярности, а ноль - другой (рис. 1.1,в). Каждый импульс длится половину такта. Такой код обладает отличными самосинхронизирующими свойствами, но постоянная составляющая, может присутствовать, например, при передаче длинной последовательности единиц или нулей. 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.

 

Манчестерский код

В локальных сетях до недавнего времени самым распространенным методом кодирования был так называемый манчестерский код (рис. 1.1,г). Он применяется в технологиях Ethernet и Token Ring.

В манчестерском коде для кодирования единиц и нулей используется перепад потенциала, то есть фронт импульса. При манчестерском кодировании каждый такт делится на две части. Информация кодируется перепадами потенциала, происходящими 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 обладает хорошими самосинхронизирующими свойствами. Полоса пропускания манчестерского кода уже, чем у биполярного импульсного. У него также нет постоянной составляющей, а основная гармоника в худшем случае (при передаче последовательности единиц или нулей) имеет частоту N Гц, а в лучшем (при передаче чередующихся единиц и нулей) она равна N /2 Гц, как и у кодов AMI или NRZ. В среднем ширина полосы манчестерского кода в полтора раза уже, чем у биполярного импульсного кода, а основная гармоника колеблется вблизи значения 3 N /4. Манчестерский код имеет еще одно преимущество перед биполярным импульсным кодом. В последнем для передачи данных используются три уровня сигнала, а в манчестерском - два.

Потенциальный код 2B1Q

На рис. 1.1,д показан потенциальный код с четырьмя уровнями сигнала для кодирования данных. Это код 2B1Q, название которого отражает его суть - каждые два бита (2В) передаются за один такт сигналом, имеющим четыре состояния (1Q), 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. При этом 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 кода 2B1Q можно по одной и той же линии передавать данные в два раза быстрее, чем с помощью кода AMI или NRZI. Однако для его реализации мощность передатчика должна быть выше, чтобы четыре уровня четко различались приемником на фоне помех.

Логическое кодирование

Логическое кодирование используется для улучшения потенциальных кодов типа AMI, NRZI или 2B1Q. Логическое кодирование должно заменять длинные последовательности бит, приводящие к постоянному потенциалу, вкраплениями единиц. Как уже отмечалось выше, для логического кодирования характерны два метода - избыточные коды и скрэмблирование.

Избыточные коды

Избыточные коды основаны на разбиении исходной последовательности бит на порции, которые часто называют символами. Затем каждый исходный символ заменяется на новый, который имеет большее количество бит, чем исходный. Например, логический код 4В/5В, используемый в технологиях FDDI и Fast Ethernet, заменяет исходные символы длиной в 4 бита на символы длиной в 5 бит. Так как результирующие символы содержат избыточные биты, то общее количество битовых комбинаций в них больше, чем в исходных. Так, в коде 4В/5В результирующие символы могут содержать 32 битовых комбинации, в то время как исходные символы - только 16. Поэтому в результирующем коде можно отобрать 16 таких комбинаций, которые не содержат большого количества нулей, а остальные считать запрещенными кодами (code violation). Кроме устранения постоянной составляющей и придания коду свойства самосинхронизации, избыточные коды позволяют приемнику распознавать искаженные биты. Если приемник принимает запрещенный код, значит, на линии произошло искажение сигнала.

Соответствие исходных и результирующих кодов 4В/5В представлено ниже.

Код 4В/5В затем передается по линии с помощью физического кодирования по одному из методов потенциального кодирования, чувствительному только к длинным последовательностям нулей. Символы кода 4В/5В длиной 5 бит гарантируют, что при любом их сочетании на линии не могут встретиться более трех нулей подряд.

Буква В в названии кода означает, что элементарный сигнал имеет 2 состояния - от английского binary - двоичный. Имеются также коды и с тремя состояниями сигнала, например, в коде 8В/6Т для кодирования 8 бит исходной информации используется код из 6 сигналов, каждый из которых имеет три состояния. Избыточность кода 8В/6Т выше, чем кода 4В/5В, так как на 256 исходных кодов приходится 3⁶=729 результирующих символов.

Использование таблицы перекодировки является очень простой операцией, поэтому этот подход не усложняет сетевые адаптеры и интерфейсные блоки коммутаторов и маршрутизаторов.

Для обеспечения заданной пропускной способности линии передатчик, использующий избыточный код, должен работать с повышенной тактовой частотой. Так, для передачи кодов 4В/5В со скоростью 100 Мб/с передатчик должен работать с тактовой частотой 125 МГц. При этом спектр сигнала на линии расширяется по сравнению со случаем, когда по линии передается чистый, не избыточный код. Тем не менее спектр избыточного потенциального кода оказывается уже спектра манчестерского кода, что оправдывает дополнительный этап логического кодирования, а также работу приемника и передатчика на повышенной тактовой частоте.

СКРЭМБЛИРОВАНИЕ

Перемешивание данных скрэмблером перед передачей их в линию с помощью потенциального кода является другим способом логического кодирования.

Двоичный сигнал на выходе отдельных ступеней формирования групповых потоков может иметь произвольную статистическую структуру, которая не всегда удовлетворяет требованиям нормального функционирования системы. Среди этих требований выделим два следующих:

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.

Оба требования должны выполняться независимо от структуры передаваемого сообщения. Поэтому в ряде систем, предназначенных для работы с повышенной удельной скоростью передачи, исходная последовательность двоичных посылок подвергается определенной обработке. Смысл обработки состоит в получении последовательности, в которой статистика появления нулей и единиц приближается к случайной, что позволяет удовлетворить двум названным выше требованиям.

Одним из способов такой обработки является скремблирование (to scramblte- перемешивать). Появившись как процедура обработки кодовой последовательности с целью придания ей определенных статистических свойств, в настоящее время скремблирование получило широкое распространение как средство предотвращения несанкционированного доступа к передаваемой информации (например, телевидение). Скремблирование производится на передающей стороне с помощью устройства - скремблера, реализующего логическую операцию суммирования по модулю 2 исходного и преобразующего псевдослучайного двоичных сигналов. На приемной стороне осуществляется обратная операция - дескремблирование - устройством, называемым дескремблером. Дескремблер выделяет из принятой последовательности исходную последовательность.

На рис. 2.1 показано включение скремблера и дескремблера в канал связи. Основной частью скремблера является генератор ПСП в виде линейного V -каскадного регистра с обратными связями, формирующий последовательность максимальной длины 2^{n - 1}. Различают два основных типа скремблеров-дескремблеров - самосинхронизирующиеся (СС) и с установкой (аддитивные – АД). Структурная схема пары скремблер-дескремблер СС представлена на рис. 2.2. Особенностью скремблера СС является то, что он управляется скремблированной последовательностью, т.е. той, которая идет в канал. Поэтому не требуется специальной установки состояний скремблера и дескремблера, поскольку они оказываются идентичными в результате записи в их регистры сдвига скремблированной последовательности. При потере синхронизма между скремблером и дескремблером время его восстановления не превышает числа тактов, равного количеству ячеек регистра скремблера.

 

 

Рис. 2.1. Включение скремблера и дескремблера в канал связи

 

 

Скремблер           Дескремблер

Рис. 2.2. Структурная схема пары скремблер-дескремблер СС

 

На приемном конце выделение последовательности происходит сложением по модулю 2 принятой скремблированной последовательности с псевдослучайной последовательностью (ПСП) регистра. Например, для схемы (рис. 2.2) входная последовательность, а_n с помощью скремблера в соответствии с выражением

                                                   (2.1)

преобразуется в посылаемую двоичную последовательность b_n. В приемнике из этой последовательности таким же регистром сдвига, как на приеме, формируется последовательность

 ,                                                (2.2)

которая идентична первоначальной последовательности а_n. Это легко проверяется при преобразовании (2.1) к виду

                                   (2.3)

Как следует из (2.2) и принципа действия схемы (см. рис. 2.2), при одной ошибке в последовательности b_n ошибочными оказываются также последующие 6-й и 7-й символы (в данном примере). В общем случае влияние ошибочно принятого бита будет сказываться (а+1) раз, где а - количество обратных связей. Таким образом, СС скремблер-дескремблер обладает свойством размножения ошибок. Данный недостаток ограничивает количество обратных связей в регистре сдвига, которое практически не превышает а = 2.

Второй недостаток СС скремблера связан с возможностью появления на его входе при определенных условиях так называемых «критических ситуаций», когда выходная последовательность приобретает периодический характер с периодом, меньшим длины ПСП. Чтобы предотвратить это, в скремблере и дескремблере предусматриваются специальные дополнительные схемы контроля, которые выявляют периодичность элементов на входе и нарушают ее.

Недостатки, присущие СС скремблеру-дескремблеру, практически отсутствуют при аддитивном скремблировании (рис. 2.3), однако здесь требуется предварительная идентичная установка состояний регистров скремблера и дескремблера. В скремблере с установкой (в АД скремблере), как и в СС скремблере, производится суммирование входного сигнала и ПСП, но результирующий сигнал не поступает на вход регистра. В дескремблере скремблированный сигнал также не проходит через регистр сдвига, поэтому размножения ошибок не происходит. Суммируемые в скремблере последовательности независимы, поэтому их период всегда равен НОК величин периодов входной последовательности и ПСП, и критическое состояние не наступает. Отсутствие эффекта размножения ошибок и необходимости специальной защиты от нежелательных ситуаций делает способ АД скремблирования предпочтительнее и экономически эффективнее, если не учитывать затрат на решение задачи фазирования пары скремблер-дескремблер. В качестве сигнала установки в многоканальных цифровых системах передачи используют сигнал цикловой (кадровой) синхронизации.

 

Скремблер            Дескремблер

       Установка регистров

Рис.2.3.Струкгурная схема пары скремблер-дескремблер АД

 

Рассмотрим влияние скремблирования на энергетический спектр и автокорреляционную функцию двоичного сигнала. На рис. 2.6, а изображен пример энергетического спектра для периодического сигнала с периодом Т, содержащим 6 двоичных элементов длительностью Т. После скремблирования ПСП с М =2 ^{n - 1} спектр существенно обогащается (рис. 2.6). В примере количество составляющих спектра увеличивается в М раз, одновременно уровень каждой составляющей уменьшается в такое же число раз.

 

Различные алгоритмы скрэмблирования отличаются количеством слагаемых, дающих цифру результирующего кода, и сдвигом между слагаемыми. Так, в сетях ISDN при передаче данных от сети к абоненту используется преобразование со сдвигами в 5 и 23 позиции, а при передаче данных от абонента в сеть - со сдвигами 18 и 23 позиции.

Существуют и более простые методы борьбы с последовательностями единиц, также относимые к классу скрэмблирования.

Для улучшения кода Bipolar AMI используются два метода, основанные на искусственном искажении последовательности нулей запрещенными символами.

Рис. 2.4. Коды B8ZS и HDB3. V - сигнал единицы запрещенной полярности; 1*-сигнал единицы корректной полярности, но заменившей 0 в исходном коде

На рис. 2.4 показано использование метода B8ZS (Bipolar with 8-Zeros Substitution) и метода HDB3 (High-Density Bipolar 3-Zeros) для корректировки кода AMI. Исходный код состоит из двух длинных последовательностей нулей: в первом случае - из 8, а во втором - из 5.

Код B8ZS исправляет только последовательности, состоящие из 8 нулей. Для этого он после первых трех нулей вместо оставшихся пяти нулей вставляет пять цифр: V-1*-0-V-1*. V здесь обозначает сигнал единицы, запрещенной для данного такта полярности, то есть сигнал, не изменяющий полярность предыдущей единицы, 1* - сигнал единицы корректной полярности, а знак звездочки отмечает тот факт, что в исходном коде в этом такте была не единица, а ноль. В результате на 8 тактах приемник наблюдает 2 искажения - очень маловероятно, что это случилось из-за шума на линии или других сбоев передачи. Поэтому приемник считает такие нарушения кодировкой 8 последовательных нулей и после приема заменяет их на исходные 8 нулей. Код B8ZS построен так, что его постоянная составляющая равна нулю при любых последовательностях двоичных цифр.

Код HDB3 исправляет любые четыре подряд идущих нуля в исходной последовательности. Правила формирования кода HDB3 более сложные, чем кода B8ZS. Каждые четыре нуля заменяются четырьмя сигналами, в которых имеется один сигнал V. Для подавления постоянной составляющей полярность сигнала V чередуется при последовательных заменах. Кроме того, для замены используются два образца четырехтактовых кодов. Если перед заменой исходный код содержал нечетное число единиц, то используется последовательность 000V, а если число единиц было четным - последовательность 1*00V.

Рис. 2.5. Спектры потенциальных и импульсных кодов

 

Рис. 2.6. Влияние скремблирования на спектр

Улучшенные потенциальные коды обладают достаточно узкой полосой пропускания для любых последовательностей единиц и нулей, которые встречаются в передаваемых данных. На рис. 2.5 приведены спектры сигналов разных кодов, полученные при передаче произвольных данных, в которых различные сочетания нулей и единиц в исходном коде равновероятны. При построении графиков спектр усреднялся по всем возможным наборам исходных последовательностей. Естественно, что результирующие коды могут иметь и другое распределение нулей и единиц. Из рис. 2.5 видно, что потенциальный код NRZ обладает хорошим спектром с одним недостатком - у него имеется постоянная составляющая. Коды, полученные из потенциального путем логического кодирования, обладают более узким спектром, чем манчестерский, даже при повышенной тактовой частоте (на рисунке спектр кода 4В/5В должен был бы примерно совпадать с кодом B8ZS, но он сдвинут в область более высоких частот, так как его тактовая частота повышена на 1/4 по сравнению с другими кодами). Этим объясняется применение потенциальных избыточных и скрэмблированных кодов в современных технологиях, подобных FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, ISDN и т. п. вместо манчестерского и биполярного импульсного кодирования.

 

ПЕРЕМЕЖЕНИЕ

Перемежение (interleaviпg) представляет собой такое изменение порядка следования символов кодовой последовательности, т. е. такую перестановку символов, при которой стоявшие рядом символы оказываются разделенными несколькими другими символами. Такая процедура предпринимается с целью преобразования групповых ошибок (пакетов ошибок) в одиночные ошибки, с которыми легче бороться с помощью корректирующих кодов. Появление пакетов ошибок является, например, следствием глубоких замираний сигнала в условиях многолучевого распространения. При этом группа следующих один за другим символов, попадающих на интервал замирания сигнала, с большой вероятностью оказывается ошибочной. Если же перед выдачей информационной последовательности в радиоканал она подвергается процедуре перемежения, а на приемном конце восстанавливается прежний порядок символов (рис 3.1), то пакеты ошибок с большой вероятностью рассыпаются на одиночные ошибки.

Процедура перемежения широко используется для защиты от организованных помех. Кроме того, незнание алгоритма перемежения позволяет рассматривать эту процедуру как способ противодействия

Рис. 3.1. Включение перемежителя в канал связи

Устройство перемежения переупорядочивает (переставляет) символы в последовательности некоторым детерминированным образом. Существует много типов таких устройств, но наиболее часто применяемыми из них являются периодические и псевдослучайные. Периодическим называется устройство перемежения, в котором перестановка есть периодическая функция времени. Известны схемы таких устройств: диагональное, блочное, сверточное. Возможны варианты гибридных схем, например, - блочно диагональное.

Рис 3.2. Схема канального перемежения

При диагональном перемежении входная информация делится на блоки, а блоки - на субблоки, и в выходной последовательности субблоки, например, второй половины предыдущего блока чередуются с субблоками первой половины следующего блока. Такая схема иллюстрируется рис. 3.2, где каждый блок состоит из шести субблоков, и субблоки первого блока обозначены а _n, второго - b_n, третьего - с _n.

Типичное блочное устройство перемежения работает следующим образом. Кодовые символы записываются в столбцы матрицы, состоящей из J строк и I столбцов. Перестановка заключается в том, что для передачи по каналу символы считываются из матрицы по строкам. Такое устройство называется блочным (J, I устройством перемежения). Устройство восстановления после перемежения осуществляет обратную операцию: записывает символы по строкам, а считывает их по столбцам. Очевидно, что любой пакет ошибок переходит на выходе устройства восстановления в одиночные ошибки, каждые две из которых разделены не менее чем J символами. В типичных случаях параметры устройства перемежения выбирают такими, чтобы длина всех ожидаемых пакетов ошибок не превышала I.

Сверточные устройства перемежения не дают фиксированной блочной структуры и осуществляют периодическую перестановку полубесконечной последовательности кодовых символов. Различие между устройствами перемежения блочного и сверточного типов очень похоже на различие между блочными и сверточными кодами.

Общим недостатком рассмотренных схем является жесткая периодичность следования переставленных символов в пределах интервала перемежения. Этот недостаток может быть устранен за счет применения более сложной схемы перемежения. Такую возможность предоставляет псевдослучайный метод перемежения.

Псевдослучайное устройство перемежения в блоках из L символов переставляет элементы псевдослучайным образом. Эго можно сделать, записав L символов последовательно в память и затем считав их по закону псевдослучайной перестановки.