Методы кодирования данных в системах телекоммуникаций
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.8.2
Рис. 8.2 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. 8.2 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. 8.2, 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-кодиспользует 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.
8.3 8.3 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.8.3
Рис. 8.3 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.8.4).
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. 8.4 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.
8.4 8.4 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. 8.5 показано включение скремблера и дескремблера в канал связи.
Рис. 8.5 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. 8.6
Рис. 8.6 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=bn XOR (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. 8.6 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. 8.7).
Рис. 8.7 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.8.8).
Рис. 8.8 Спектр сигнала:
а) до скремблирования; б) после скремблирования
На эпюре а рис.8.8 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.8.8 б). При этом число составляющих спектра увеличилось в М раз, причем, уровень каждой составляющей уменьшается в такое же число раз.