Двоичное кодирование квантованного сигнала

Полученное квантованное значение каждой выборки в схеме ИКМ представляется в виде 7-8 битного двоичного кода с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП).

Такое кодирование (из-за большой "занятости" термина кодирование) часто называют двоичным кодированием или кодификацией, т.е. преобразованием в двоичный код. Выбор 7-8 бит/выборку дает возможность передать 128 (2⁷) или 256 (2⁸) уровней и зависит от использо­вания того или иного стандарта ИКМ. Процедура командирования обеспечивает качествен­ную передачу голоса с эквивалентным динамическим диапазоном порядка 48-50 дБ.

Учитывая, что в системах связи выборки должны передаваться последовательно, получаем эквивалентный двоичный цифровой поток со скоростью 56 кбит/с (8 кГц´7 бит/выборку) или 64 кбит/с (8 кГц´8 бит/выборку).

Указанные этапы преобразования при формировании ИКМ представлены на рис.1-7.

Рис.1 -7. Преобразование аналогового сигнала в цифровой ИКМ-сигнал

Особенности дискретных цифровых систем связи

Блок-схема дискретной цифровой системы связи

Рассмотренное выше, применимо в целом для цифровых систем связи, передающих (опти­- мально - без МСИ) голосовые сигналы по аналоговому телефонному каналу (КТЧ).

Рис.1-8. Блок-схема цифровой системы передачи данных

Блок схема цифровой системы связи представлена на рис. 1-8. Она отличается от блок-схемы на рис. 1-1 наличием блоков "синхронизации-трансляция", расположенных до передат- чика и после приемника. Эти блоки выполняют функции прямого и обратного преобразования сигнала и синхронизации системы в целом.

Функция синхронизации

Эта функция является общей для всех систем цифровой связи. Она обязательна хотя бы пото­- му, что все технологии ГлС, рассматриваемые нами, являются синхронными (кроме асинхрон- ­ных систем модемной связи). Если же синхронные технологии, как, например, технологии Х.25 и Frame Relay (FR), используют асинхронные потоки на входе (например, от ПК), то эти потоки преобразуются в синхронные с помощью специальных входных устройств доступа: PAD (в Х.25) и FRAD (в FR).

Напомним, что при асинхронной передаче сигналов с помощью модемов, сообщение пе­редается как последовательность кодированных символов, каждый из которых должен иметь в начале "старт-символ", а в конце "стоп-символ" (причем они д.б. по-разному представлены). Так, на рис. 1-9 показаны два примера: один - символ "D", закодирован 5-элсментным кодом Боде (рис.1-9а), второй - символ "5", закодирован 7-битным кодом ASCII (рис.1-96) с 8-м би- ­том для проверки на четность. Стоп-символ в 1,5 (или 2) раза длиннее "старт-символа".

Рис.1-9. Схема старт-стопного (или асинхронного) метода передачи кодами Боде (а) и ASCII (б)

При синхронной передаче старт- и стоп-символы не используются, что уменьшает избы­точность и увеличивает эквивалентную скорость передачи полезной информации. Однако синхронная передача имеет свой недостаток: поток "символов" должен существовать и в от­сутствие сообщений. Для этой цели используются так называемые "пустые" символы (типа idle или sync), не содержащие полезной информации, или пустые ячейки.

Функция трансляции

Функция трансляции/преобразования выполняет три разные задачи:

· входного/выходного преобразования кодов, используемых при вводе/выводе цифровых двоичных данных (на­пример, кодов ASCII и EBCDIC, кода Боде);

· входного/выходного преобразования линейных кодов, использующего такие протоколы, как, например: высоко­уровневый протокол управления на уровне звена передачи данных (HDLC), протокол синхронного управления звеном передачи данных (SDLC) и другие, а также собственно линейные коды, такие как: AMI, HDB3, 4В/5В, 8В/10В и др.

· входного/выходного кодирования/декодирования с целью обнаружения/исправления ошибок, использующего различные схемы фиксации ошибок: автоматического запроса на повтор передачи (ARQ), контроля четно­сти (PC), проверки с использованием циклических избыточных кодов (CRC), или ее разновидности - последо­вательности для проверки кадра/фрейма (FCS), прямой/упреждающей коррекции ошибок (FEC) и другие.

Важный момент, который нужно понимать на этом уровне изложения, - это то, что сооб­щение, передаваемое в дискретной цифровой системе по каналу связи, подвергается различ­ным преобразованиям, называемым в общем случае методами кодирования. Однако эти мето- ды преследуют различные цели, а само кодирование проводится различными средствами. Н ша задача - правильно идентифицировать и адекватно понимать их.

Методы кодирования

Аналоговый сигнал (сообщение) при переводе в цифровую форму подвергается, как описано выше, процессу дискретизации, кантования и двоичного кодирования квантованной величи- ны. Двоичной кодированиепозволяет представить аналоговый сигнал в цифровой форме и является первым в цепи кодирований сигнала и, чтобы избежать путаницы с другими метода- ми кодирования, называется кодификацией.

Полученный двоичный код затем вновь кодируется в соответствии с той или иной схемой помехоустойчивого кодирования(PC, CRC, FCS, ECC, FEC). В отличие от кодификации, эти методы кодирования вносят избыточность, что увеличивает длину кодированной последова- тельности, или ее скорость. Вносимая избыточность зависит от типа кодирования. Она мини- мальна для кодов, обнаруживающих ошибки (PC, CRC, FCS) и максимальна для кодов, ис- правляющих ошибки (ECC, FEC). Это кодирование - второе в общей цепи кодирований.

Линейное кодирование

Цифровая ИКМ-последовательность подается в канал связи дважды перекодированной для оптимизации ее прохождения через интерфейс (интерфейсное кодирование - третье в це- пи кодирований - здесь не рассматриваются) и линию связи (линейное кодирование – четвер- тое, наиболее важное в цепи кодирований).

Помехоустойчивый код с помощью линейного кодированияд.б. преобразован в код, энер- гетические, спектральные или другие характеристики которого соответствуют требованиям канала/линии связи, а именно, имеют:

• минимальную спектральную плотность на нулевой частоте и ее ограничение на нижних частотах;

• (несут) информацию о тактовой частоте передаваемого сигнала;

• узкополосный непрерывный спектр для передачи сигнала через канал связи без больших искажений;

• минимально возможную длину блоков повторяющихся символов ("1"/"0") в кодовых комбинациях.

Для двоичного кодирования число уровней входного сигнала т=2, а уровней выходного сигнала пм.б. 2 (двухуровневое кодирование) или 3 (трехуровневое кодирование).

Оптические линии связи, требуют однополярных методов кодирования, тогда как элек- трические линии связи могут использовать однополярное или двухполярное кодирование.

В различных методах кодирования "1" м.б. представлена положительным прямоугольным импульсом на полную или на половинную длину двоичного интервала, илипереходом с "1" на "0" или "-1" (ступенькой вниз) в центре интервала, а "0" - отрицательным импульсом соответ- ствующей длины или отсутствием импульса, или обратным переходом с "-1" или "0" на "1" (ступенькой вверх) в центре интервала.

Для ограничения длины блоков повторяющихся символов типа "11...11" или "00...00" ис-пользуется инверсия (изменение полярности) импульсов, обозначаемая буквой "V". Наряду с инверсией иногда используются "вставки" (дополнительные символы определенной полярно-сти, обозначаемые часто буквой "В").

Ниже приведены описания некоторых кодов, широко используемых в цифровой связи и представленных на рис. 1-10:

1В2В- частный случай класса блочных кодов(кодов типа mBnB), в котором 1 бит исходной ИКМ последовательности длительностью Т кодируется комбинацией из 2 бит длительностью Т/2(к этому классу относятся коды CMI И Миллера);

AMI- Alternate Mark Inversion code- двоичный код RZ с инверсией на каждой "1", код используется для передачи сигналов PDH;

CMI- Codec Mark Inversion code-двухуровневый типа NRZ код класса 1В2В с инверсией полярности кодовой комбинации на весь интервал на каждой "1" (т.е. каждой "1" ставится в соответствие либо комбинация "11",

либо "00") и изменением полярности в середине каждого интервала "0" (т.е. каждому "0" ставится в соот­ветствие дипульс "01"), используется для PDH и SDH;

Н DB2 - High-Density Bipolar code of order 2 - двухполярный код высокой плотности порядка 2 - код RZ с инверси­ей на "1" (аналогичен AMI), в котором каждый блок "000" заменяется блоком "00V или "B0V, где В - встав­ка импульса "1", которая выполняется так, чтобы число В-импульсов между последовательными V-импульсами было нечетным, дает трехуровневый код;

HDB3 - High-Density Bipolar code ol order 3 - двухполярный код высокой плотности порядка 3 - код с инверсией 1 на "1", в котором каждый блок "0000" заменяется блоком "000V" или "B00V", где В - вставка импульса "1", которая выполняется так, чтобы число В импульсов между последовательными V импульсами было не­четным, дает трехуровневый код, используется для PDH;

NRZ - Non Return to Zero code - базовый двухуровневый код без возвращения к нупю, м.б. как двухполярным, так и однополярным.

RZ- Return to Zero code - базовый трехуровневый код с возвращением к нулю;

Код Миллера - двухполярный двухуровневый код класса 1В2В, имеющий состояния {00,01,10,11}.

Рис.1 -10. Примеры основных линейных кодов, кодирующих двоичную последовательность (а): однополярный NRZ (б), двухполярный NR2 (в), код RZ (г), код ADI (д), код AMI (e), код с инверсией кодовых комбина­ций CMI (ж), двухуровневый код Миллера (з), двухполярный (и) и однополярный код HDB3 (к)

Первый сигнал (рис.1-10б) представляет собой однополярную последовательность, в которой "1" представлена импульсом с амплитудой Vи шириной Т_б - длине битового интервала, а "0" представлен отсутствием импульса той же ширины . Этот код известен как однополярный код без возвращения к нупю - однополярный NRZ.

Второй сигнал (рис.1-10в) - представляет двухполярную последовательность, в которой "1" представлена им­пульсом с амплитудой +V и шириной Т_б, а "0" - импульсом с амплитудой -V и шириной . Этот код известен как двухполярный NRZ.