Методы кодирования цифровых сигналов. Стандарты открытых кабельных систем

Отображение логических каналов на физические каналы осуществляется через процессы кодирования и шифрования передаваемых сообщений.

Для защиты логических каналов от ошибок, которые имеют место в процессе передачи, используют три вида кодирования: блочное - для быстрого обнаружения ошибок при приеме; сверхточное - для исправления одиночных ошибок; перемежение - для преобразования пакетов ошибок в одиночные.

Для защиты каналов от подслушивания в каналах связи и управления применяется шифрование.

Для передачи сообщений по физическим каналам используется гауссовская частотная манипуляция с минимальным частотным сдвигом (GMSK).

Модуляция радиосигнала

В стандарте GSM применяется спектрально-эффективная гауссовская частотная манипуляция с минимальным частотным сдвигом (GMSK). Манипуляция называется "гауссовской" потому, что последовательность информационных бит до модулятора проходит через фильтр нижних частот (ФНЧ) с характеристикой Гаусса, что дает значительное уменьшение полосы частот излучаемого радиосигнала. Формирование GMSK радиосигнала осуществляется таким образом, что на интервале одного информационного бита фаза несущей изменяется на 90°. Это наименьшее возможное изменение фазы, распознаваемое при данном типе модуляции. Непрерывное изменение фазы синусоидального сигнала дает в результате частотную модуляцию с дискретным изменением частоты. Применение фильтра Гаусса позволяет при дискретном изменении частоты получить "гладкие переходы". В стандарте GSM применяется GMSK-модуляция с величиной нормированной полосы ВТ - 0,3, где В - ширина полосы фильтра по уровню минус 3 дБ, Т - длительность одного бита цифрового сообщения. Основой формирователя GMSK-сигнала является квадратурный (1/Q) модулятор. Схема состоит из двух умножителей и одного сумматора. Задача этой схемы заключается в том, чтобы обеспечить непрерывную, очень точную фазовую модуляцию. Один умножитель изменяет амплитуду синусоидального, а второй косинусоидального колебания. Входной сигнал до умножителя разбивается на две квадратурные составляющие. Разложение происходит в двух обозначенных "sin" и "cos" блоках.

Модуляцию GMSK отличают следующие свойства, которые предпочтительны для подвижной связи:

постоянная по уровню огибающая, которая позволяет использовать эффективные передающие устройства с усилителями мощности в режиме класса С;

компактный спектр на выходе усилителя мощности передающего устройства, обеспечивающий низкий уровень внеполосного излучения;

хорошие характеристики помехоустойчивости канала связи.

КОДИРОВАНИЕ И ПЕРЕМЕЖЕНИЕ В КАНАЛАХ СВЯЗИ И УПРАВЛЕНИЯ СТАНДАРТА GSM

Общая структурная схема кодирования и перемежения в стандарте GSM

Для защиты от ошибок в радиоканалах подвижной связи GSM PLMN используются сверточное и блочное кодирование с перемежением. Перемежение обеспечивает преобразование пакетов ошибок в одиночные. Сверточное кодирование является мощным средством борьбы с одиночными ошибками. Блочное кодирование, главным образом, используется для обнаружения нескорректированных ошибок.

Блочный код (п, k, t) преобразует k информационных символов в п символов путем добавления символов четности (n-k), а также может корректировать t ошибок символов.

Сверточные коды (СК) относятся к классу непрерывных помехоустойчивых кодов. Одной из основных характеристик СК является величина К, которая называется длиной кодового ограничения, и показывает, на какое максимальное число выходных символов влияет данный информационный символ. Так как сложность декодирования СК по наиболее выгодному, с точки зрения реализации, алгоритму Витерби возрастает экспоненциально с увеличением длины кодового ограничения, то типовые значения К малы и лежат в интервале 3-10. Другой недостаток СК заключается в том, что они не могут обнаруживать ошибки. Поэтому в стандарте GSM для внешнего обнаружения ошибок используется блочный код на основе сверточного кода (2, 1, 5) со скоростью r=1/2. Наибольший выигрыш СК обеспечивает только при одиночных (случайных) ошибках в канале.

В каналах с замираниями, что имеет место в GSM PLMN, необходимо использовать СК совместно с перемежением.

В GSM PLMN основные свойства речевых каналов и каналов управления значительно отличаются друг от друга. Для речевых каналов необходима связь в реальном масштабе времени с короткими задержками при сравнительно низких требованиях к вероятности ошибки в канале. Для каналов управления требуется абсолютная целостность данных и обнаружения ошибок, но допускается более длительное время передачи и задержки.

В соответствии с общей структурой кадров в стандарте GSM передача информационных сообщений и сигналов управления осуществляется в нормальном временном интервале (NB) TDMA кадра. Структура NB (два пакета по 57 информационных бит каждый) требует, чтобы количество кодированных бит m, соответствующих n - некодированным битам в общей схеме кодирования и перемежения, равнялась бы целому числу, кратному 19. Затем эти биты зашифровываются и объединяются в I групп. Количество бит в этих группах также должно равняться 19, I групп переходят в I временных интервалов. Номер I называется степенью перемежения.

В различных логических каналах используются различные сверточные коды, поскольку скорости передачи и требования по защите от ошибок также различны. Для упрощения механизмов кодирования и декодирования для формирования кодов используются только несколько полиномов. Это позволяет использовать сверточный код с одной скоростью г=1/2. Однако, чтобы выполнить требования формирования полноскоростного канала связи, а также привести в соответствие структуру размещения бит со структурой кадров необходима скорость г=244/456=0,535. Для выравнивания скорости в речевом канале до г=1/2 применяют прореживание, то есть периодический пропуск некоторых кодированных символов. Такая операция называется перфорированием, а формируемые таким образом коды называются перфорированными. При приеме декодер, зная алгоритм прореживания, интерполирует принимаемые данные.

При передаче логического быстрого совмещенного канала управления FACCH перфорирование не используется.

Сверточное кодирование и перемежение в полноскоростном речевом канале

Речевой кодек передает каждые 260 бит информационной последовательности со скоростью 13 кбит/с на схему канального кодирования. Первые 182 бита этого кадра, называемые в стандарте GSM битами 1 класса, защищаются с помощью слабого блочного кода для обнаружения ошибок в приемнике.

Кодирование осуществляется следующим образом: биты класса 1 разделяются дополнительно на проверки на четность. Блочный код представляет собой укороченный систематический 50 бит класса 1а и 132 бита класса 1б. Биты класса 1а дополняются тремя битами циклический код (53, 50).

В соответствии с принятым правилом формирования систематического кода, ключ Sw закрыт на время первых пяти-десяти тактовых импульсов, а информационные биты, поступающие на вход кодирующего устройства, одновременно поступают на блок переупорядочения и формирования бит проверки на четность. После пятидесяти тактовых импульсов переключатель Sw срабатывает и биты проверки на четность поступают из кодирующего устройства. На этой стадии проводится первый шаг перемежения. Биты с четными индексами собираются в первой части информационного слова, за которыми следуют три бита проверки на четность. Затем биты с нечетными индексами запоминаются в буферной памяти и переставляются. Далее следуют четыре нулевых бита, которые необходимы для работы кодера, формирующего код, исправляющий случайные ошибки в канале. После чего 189 бит класса 1 кодируются сверточным кодом (2,1,5) со скоростью г=1/2.

После сверточного кодирования общая длина кадра составляет 2х189+78=456 бит. После этого кадр из 456 бит делится на восемь 57 битовых подблоков, которые подвергаются диагональному и внутрикадровому перемежению. Более точно подблоки В0 и В4 формируются в пакеты по 114 бит, которые являются результатом блочно-диагонального перемежения (DI/B). Биты В0 и В4 подблоков попарно перемежаются, образуя процесс внутрикадрового битового перемежения (IBI/B). В результирующий пакет включены два опережающих флага h1, h0, которые используются для классификации различных пакетов передачи.

Кодирование и перемежение в полноскоростном канале

передачи данных

Для повышения эффективности применения сверточного кодирования в полноскоростных каналах передачи данных необходим длительный период перемежения. В этих каналах внутрикадровое перемежение (IВI/В) реализуется для степени перемежения I=19, что приводит к задержке передачи данных на 19х116=2204 бит. Если биты I-го пакета (временного интервала) до перемежения обозначить как С (Km), m=1...116, то схема перемежения, то есть позиции бит после перемежения, определяются следующей формулой:

I (К + j,j + 19t) = С (К, т) для всех К j = m mod 19, t = m mod 6.

Кодирование запросных и ответных сигналов является важной особенностью систем опознавания, которая определяет принципы их построения и функционирования. Необходимость кодирования сигналов в системах САЗО обусловлена следующими причинами:

1) Коды запросных сигналов содержат требования к характеру выдаваемой информации ответчиков, а ответных сигналов – информацию о параметрах воздушного объекта;

2) Кодирование запросных сигналов повышает надежность работы линий опознавания, так как снижает вероятность ошибочного запуска ответчиков помехами;

3) Кодирование запросных и ответных сигналов повышает имитоустойчивость системы опознавания.

С целью приспособления формы информации к линии САЗО как каналу связи, информацию представляют в виде сообщений, построенных по определенному правилу (коду). Сообщение состоит из одного или нескольких слов. Каждое слово представляет собой конечную последовательность кодовых знаков (символов). Под кодовым знаком понимают условное обозначение элементарного сигнала, обладающего определенными параметрами. Количество различных символов, которые используются в словах данного кода, называют основанием кода.

Элементарные сигналы формируются путем изменения таких их параметров, как несущая частота, параметры амплитудной, частотной или фазовой модуляции, количество и временное положение сигналов и др.

Выбор того или иного кода зависит от количества различных сообщений N , которое нужно передавать по линии связи. При основании кода n и размерности слов l максимальное число различных сообщений N определяется выражением .

Чем больше основание n кода, тем больше можно передавать различных сообщений размерностью l . Но при большом основании кода ухудшается различимость его элементарных сигналов, усложняется построение кодирующих и декодирующих устройств. Поэтому во многих областях техники наибольшее распространение получили коды с основание два, которые называют двоичными кодами. В САЗО наряду с двоичным кодом и его разновидностями (импульсно-временным кодом (ИВК) и частотно-временным кодом (ЧВК)) применяется код амплитудно-модулированных импульсов (АМИ).

В двоичном коде каждый символ слова представляет собой один разряд двоичного числа, который принимает значение ноль или единица. В качестве элементарных сигналов в радиолиниях САЗО применяют радиоимпульсы определенной несущей частоты. Наличие элементарного сигнала на данной позиции – передача единицы в данном разряде, а отсутствие сигнала – передача нуля (рис.1.16, а). При использовании кода с активной паузой для передачи одного разряда применяются две позиции: одна для передачи единицы, вторая – для передачи нуля (рис.1.16, б). Код с активной паузой обладает избыточностью, но лучшей достоверностью передачи информации.

При цифровом кодировании дискретной информации применяют потенциальные и импульсные коды.

В потенциальных кодах для представления логических единиц и нулей используется только значение потенциала сигнала, а его перепады, формирующие законченные импульсы, во внимание не принимаются. Импульсные коды позволяют представить двоичные данные либо импульсами определенной полярности, либо частью импульса - перепадом потенциала определенного направления.

Требования к методам цифрового кодирования

При использовании прямоугольных импульсов для передачи дискретной информации необходимо выбрать такой способ кодирования, который одновременно до­стигал бы нескольких целей:

Имел при одной и той же битовой скорости наименьшую ширину спектра результирующего сигнала;

Обеспечивал синхронизацию между передатчиком и приемником;

Обладал способностью распознавать ошибки;

Обладал низкой стоимостью реализации.

Более узкий спектр сигналов позволяет на одной и той же линии (с одной и той же полосой пропускания) добиваться более высокой скорости передачи данных. Кроме того, часто к спектру сигнала предъявляется требование отсутствия постоянной составляющей, то есть наличия постоянного тока между передатчиком и приемником. В частности, применение различных трансформаторных схем гальванической развязки препятствует прохождению постоянного тока.

Синхронизация передатчика и приемника нужна для того, чтобы приемник точно знал, в какой момент времени необходимо считывать новую информацию с линии связи. Эта проблема в сетях решается сложнее, чем при обмене данными между близко расположенными устройствами, например между блоками внутри компьютера или же между компьютером и принтером. На небольших расстояниях хорошо работает схема, основанная на отдельной тактирующей линии связи (рис), так что информация снимается с линии данных только в момент прихода тактового импульса. В сетях использование этой схемы вызывает трудности из-за неоднородности характеристик проводников в кабелях. На больших расстояниях неравномерность скорости распространения сигнала может привести к тому, что тактовый импульс придет настолько позже или раньше соответствующего сигнала данных, что бит данных будет пропущен или считан повторно. Другой причиной, по которой в сетях отказываются от использования тактирующих импульсов, является экономия проводников в дорогостоящих кабелях.

Поэтому в сетях применяются так называемые самосинхронизирующиеся коды, сигналы которых несут для передатчика указания о том, в какой момент времени нужно осуществлять распознавание очередного бита (или нескольких бит, если код ориентирован более чем на два состояния сигнала). Любой резкий перепад сигнала - так называемый фронт - может служить хорошим указанием для синхронизации приемника с передатчиком.

При использовании синусоид в качестве несущего сигнала результирующий код обладает свойством самосинхронизации, так как изменение амплитуды несущей частоты дает возможность приемнику определить момент появления входного кода.

Распознавание и коррекцию искаженных данных сложно осуществить средствами физического уровня, поэтому чаще всего эту работу берут на себя протоколы, лежащие выше: канальный, сетевой, транспортный или прикладной. С другой стороны, распознавание ошибок на физическом уровне экономит время, так как приемник не ждет полного помещения кадра в буфер, а отбраковывает его сразу при распознавании ошибочных бит внутри кадра.

Требования, предъявляемые к методам кодирования, являются взаимно проти­воречивыми, поэтому каждый из рассматриваемых ниже популярных методов цифрового кодирования обладает своими преимуществами и своими недостатками по сравнению с другими.

Потенциальный код без возвращения к нулю

На рис. 2.16, а показан уже упомянутый ранее метод потенциального кодирования, называемый также кодированием без возвращения к нулю (NonReturntoZero,NRZ). Последнее название отражает то обстоятельство, что при передаче последователь­ности единиц сигнал не возвращается к нулю в течение такта (как мы увидим ниже, в других методах кодирования возврат к нулю в этом случае происходит). МетодNRZпрост в реализации, обладает хорошей распознаваемостью ошибок (из-за двух резко отличающихся потенциалов), но не обладает свойством самосинхро­низации. При передаче длинной последовательности единиц или нулей сигнал на линии не изменяется, поэтому приемник лишен возможности определять по вход­ному сигналу моменты времени, когда нужно в очередной раз считывать данные. Даже при наличии высокоточного тактового генератора приемник может ошибиться с моментом съема 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.

Другим серьезным недостатком метода NRZявляется наличие низкочастотной составляющей, которая приближается к нулю при передаче длинных последовательностей единиц или нулей. Из-за этого многие каналы связи, не обеспечивающие прямого гальванического соединения между приемником и источником, этот вид кодирования не поддерживают. В результате в чистом виде кодNRZв сетях не используется. Тем не менее используются его различные модификации, в которых устраняют как плохую самосинхронизацию кодаNRZ, так и наличие постоянной составляющей. Привлекательность кодаNRZ, из-за которой имеет смысл заняться его улучшением, состоит в достаточно низкой частоте основной гармоникиfo, которая равнаN/2 Гц, как это было показано в предыдущем разделе. У других мето­дов кодирования, например манчестерского, основная гармоника имеет более высокую частоту.

Метод биполярного кодирования с альтернативной инверсией

Одной из модификаций метода NRZявляется метод биполярного кодирования с альтернативной инверсией (BipolarAlternateMarkInversion,AMI). В этом методе (рис. 2.16, б) 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 AMIчастично ликвидирует проблемы постоянной составляющей и отсут­ствия самосинхронизации, присущие кодуNRZ. 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 кодаNRZ, передающего чередующиеся нули и единицы, то есть без постоянной составляющей и с основной гармоникойN/2 Гц (где N - битовая скорость переда­чи данных). Длинные же последовательности нулей также опасны для кодаAMI, как и для кодаNRZ- сигнал вырождается в постоянный потенциал нулевой амплитуды. Поэтому кодAMIтребует дальнейшего улучшения, хотя задача упрощается - осталось справиться только с последовательностями нулей.

В целом, для различных комбинаций бит на линии использование кода AMIприводит к более узкому спектру сигнала, чем для кодаNRZ, а значит, и к более высокой пропускной способности линии. Например, при передаче чередующихся единиц и нулей основная гармоникаfoимеет частотуN/4 Гц. КодAMIпредоставляет 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 (signalviolation).

В коде AMIиспользуются 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.

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

(NonReturntoZerowithonesInverted,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, подобныхAMIиNRZI, 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 скрэмблерами (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.

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. 2.16, 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 NRZи в четыре раза выше основной гармоники кодаAMIпри 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. 2.16, г). Он применяется в технологиях EthernetиTokenRing.

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, т.о. 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 кодовAMIилиNRZ. В среднем ширина полосы манчестерского кода в полтора раза уже, чем у биполярного импульсного кода, а основная гармоника колеблется вблизи значения 3N/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 2В1 Q

На рис. 2.16, д показан потенциальный код с четырьмя уровнями сигнала для кодирования данных. Это код 2В1Q, 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 кодаNRZ, так как при той же битовой скорости длительность такта увеличивается в два раза. Таким образом, с помощью кода 2В1Qможно по одной и той же линии передавать данные в два раза быстрее, чем с помощью кодаAMIилиNRZI. Однако для его реализации мощность передатчика должна быть выше, что­бы четыре уровня четко различались приемником на фоне помех.

). Физическое кодирование может менять форму, ширину полосы частот и гармонический состав сигнала в целях осуществления синхронизации приёмника и передатчика, устранения постоянной составляющей или уменьшения аппаратных затрат.

Энциклопедичный YouTube

• 1 / 5

  Система кодирования сигналов имеет многоуровневую иерархию.

  Физическое кодирование

  Самым нижним уровнем в иерархии кодирования является физическое кодирование, которое определяет число дискретных уровней сигнала (амплитуды напряжения, амплитуды тока, амплитуды яркости).

  Физическое кодирование рассматривает кодирование только на самом низшем уровне иерархии кодирования - на физическом уровне и не рассматривает более высокие уровни в иерархии кодирования, к которым относятся логические кодирования различных уровней.

  С точки зрения физического кодирования цифровой сигнал может иметь два, три, четыре, пять и т. д. уровней амплитуды напряжения, амплитуды тока, амплитуды света.

  Ни в одной из версий технологии Ethernet не применяется прямое двоичное кодирование бита 0 напряжением 0 вольт и бита 1 - напряжением +5 вольт, так как такой способ приводит к неоднозначности. Если одна станция посылает битовую строку 00010000, то другая станция может интерпретировать её либо как 10000, либо как 01000, так как она не может отличить «отсутствие сигнала» от бита 0. Поэтому принимающей машине необходим способ однозначного определения начала, конца и середины каждого бита без помощи внешнего таймера. Кодирование сигнала на физическом уровне позволяет приемнику синхронизироваться с передатчиком по смене напряжения в середине периода битов.

  Логическое кодирование

  Вторым уровнем в иерархии кодирования является самый нижний уровень логического кодирования с разными назначениями.

  В совокупности физическое кодирование и логическое кодирование образуют систему кодирования самого низшего уровня.

  Форматы кодов

  Каждый бит кодового слова передается или записывается с помощью дискретных сигналов, например, импульсов. Способ представления исходного кода определенными сигналами определяется форматом кода. Известно большое количество форматов, каждый из которых имеет свои достоинства и недостатки и предназначен для использования в определенной аппаратуре.

  • Формат БВН (без возвращения к нулю) естественным образом соответствует режиму работы логических схем. Единичный бит передается в пределах такта уровень не меняется. Положительный перепад означает переход из 0 к 1 в исходном коде, отрицательный - от 1 к 0. Отсутствие перепадов показывает, что значения предыдущего и последующего битов равны. Для декодирования кодов в формате БВН необходимы тактовые импульсы, так как в его спектре не содержится тактовая частота. Соответствующий коду формата БВН сигнал содержит низкочастотные компоненты (при передаче длинных серий нулей или единиц перепады не возникают).
  • Формат БВН-1 (без возвращения к нулю с перепадом при передаче 1) является разновидностью формата БВН. В отличие от последнего в БВН-1 уровень не передает данные, так как и положительные и отрицательные перепады соответствуют единичным битам. Перепады сигнала формируются при передаче 1. При передаче 0 уровень не меняется. Для декодирования требуются тактовые импульсы.
  • Формат БВН −0 (без возвращения к нулю с перепадом при передаче 0) является дополнительным к БВН-1 (перепады соответствуют нулевым битам исходного кода). В многодорожечных системах записи цифровых сигналов вместе с кодом в формате БВН надо записывать тактовые импульсы. Возможным вариантом является запись двух дополнительных сигналов, соответствующих кодам в форматах БВН-1 и БВН-0. В одном из двух сигналов перепады происходят в каждом такте, что позволяет получить импульсы тактовой частоты.
  • Формат ВН (с возвращением к нулю) требует передачи импульса, занимающего только часть тактового интервала (например, половину), при одиночном бите. При нулевом бите импульс не формируется.
  • Формат ВН-П (с активной паузой) означает передачу импульса положительной полярности при единичном бите и отрицательной - при нулевом бите. Сигнал этого формата имеет в спектре компоненты тактовой частоты. Он применяется в ряде случаев для передачи данных по линиям связи.
  • Формат ДФ-0 (двухфазный со скачком фазы при передаче 0) соответствует способу представления, при котором перепады формируются в начале каждого такта. При единичных битах сигнал в этом формате меняется с тактовой частотой, то есть в середине каждого такта происходит перепад уровня. При передаче нулевого бита перепад в середине такта не формируется, то есть имеет место скачок фазы. Код в данном формате обладает возможностью самосинхронизации и не требует передачи тактовых сигналов.

  Направление перепада при передаче сигнала единицы не имеет значения. Поэтому изменение полярности кодированного сигнала не влияет на результат декодирования. Он может передаваться по симметричным линиям без постоянной составляющей. Это также упрощает его магнитную запись. Этот формат известен также под названием «Манчестер 1». Он используется в адресно-временном коде SMPTE, широко применяющемся для синхронизации носителей звуковой и видеоинформации.

  Системы с двухуровневым кодированием

  Без возврата к нулю

  Потенциальное кодирование, также называется кодированием без возвращения к нулю (NRZ (англ.) русск. ).

  При передаче нуля он передает потенциал, который был установлен на предыдущем такте (то есть не меняет его), а при передаче единицы потенциал инвертируется на противоположный. Этот код называется потенциальным кодом с инверсией при единице (NRZI).

  NRZ

  Для передачи единиц и нулей используются два устойчиво различаемых потенциала:

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

  NRZ (перевёрнутый):

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

  Простейший код, обычный цифровой (дискретный) сигнал (может быть преобразован на обратную полярность или изменены уровни соответствующие нулю и единице).

  Достоинства - простая реализация; не нужно кодировать и декодировать на концах. Высокая скорость передачи при заданной полосе пропускания (для обеспечения пропускной способности в 10Мбит/сек полоса пропускания составит 5 МГц, так как одно колебание равно 2 битам). Для синхронизации передачи байта используется старт-стоповый бит.

  Недостатки - Наличие постоянной составляющей, из за чего невозможно обеспечить гальваническую развязку с помощью трансформатора. Высокие требования к синхронизации частот на приёмном и передающем конце - за время передачи одного слова (байта) приемник не должен сбиться больше, чем на бит (например для слова длиной в байт с битом старта и стопа, то есть всего 10 бит канальной информации, рассинхронизация частот приёмника и передатчика не может превышать 10 % в обе стороны, для слова в 16 бит, то есть 18 бит канальной информации, рассинхронизация не должна превышать 5,5 %, а в физических реализациях и того меньше).

  NRZI

  При передаче последовательности единиц, сигнал, в отличие от других методов кодирования, не возвращается к нулю в течение такта. То есть смена сигнала происходит при передаче единицы, а передача нуля не приводит к изменению напряжения.

  Достоинства метода NRZI:

  • 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 NRZI:

  • 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 (можно обойти сжатием передаваемых данных). 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.

  MLT-3 Multi Level Transmission - 3 (многоуровневая передача) - немного схож с кодом NRZI, но в отличие от последнего имеет три уровня сигнала. Единице соответствует переход с одного уровня сигнала на другой, причем изменение уровня сигнала происходит последовательно с учетом предыдущего перехода. При передаче «нуля» сигнал не меняется.

  Этот код, так же как и NRZI нуждается в предварительном кодировании. Используется в Fast Ethernet 100Base-TX .

  Гибридный троичный код (англ.) русск.

  Входной бит	Предыдущее состояние на выходе	Выходной бит
  0	+	−
  	0
  	−	0
  1	+
  	0	+
  	−

  4B3T [убрать шаблон]

  Таблица кодирования:

  MMS 43 coding table

  Input	Accumulated DC offset
  	1	2	3	4
  0000	+ 0 + (+2)	0−0 (−1)
  0001	0 − + (+0)
  0010	+ − 0 (+0)
  0011	0 0 + (+1)			− − 0 (−2)
  0100	− + 0 (+0)
  0101	0 + + (+2)	− 0 0 (−1)
  0110	− + + (+1)		− − + (−1)
  0111	− 0 + (+0)
  1000	+ 0 0 (+1)			0 − − (−2)
  1001	+ − + (+1)			− − − (−3)
  1010	+ + − (+1)		+ − − (−1)
  1011	+ 0 − (+0)
  1100	+ + + (+3)	− + − (−1)
  1101	0 + 0 (+1)			− 0 − (−2)
  1110	0 + − (+0)
  1111	+ + 0 (+2)	0 0 − (−1)

  Таблица декодирования.

  1.1 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

  Кодирование – преобразование элементов дискретного сообщения в последовательности кодовых символов. Обратное преобразование – декодирование .

  Устройства, осуществляющие эти операции автоматически, называются соответственно кодером и декодером . Кодек – устройство, объединяющее кодер и декодер.

  Код – алгоритм (правило), по которому осуществляется кодирование.

  Кодовая комбинация (слово) – последовательность кодовых символов, соответствующая одному элементу дискретного сообщения.

  Кодовый алфавит – весь набор кодовых символов.

  Основание кода m – число символов в кодовом алфавите. Если m=2 код называется двоичным , m>2 – многопозиционным (недвоичным) .

  Разряд – значащая позиция кодового слова.

  Разрядность (значность) кода n – число символов в кодовой комбинации. Если n=const, то код называется равномерным , n≠const – неравномерным .

  Кодеры и декодеры легче сделать для равномерных двоичных кодов.

  1.2 СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ ДИСКРЕТНЫХ СООБЩЕНИЙ

  Рисунок 1.1 – Структурная схема системы передачи дискретных сообщений.

  Источник выдает дискретное сообщение. Для формирования дискретного сообщения из непрерывного используется дискретизация по времени и по уровню.

  Кодирование источника (сжатие данных) применяется для снижения технических затрат на хранение и передачу информации.

  Криптографическое кодирование (шифрование) применяется для предотвращения несанкционированного доступа к информации.

  Кодирование канала (помехоустойчивое кодирование) применяется для повышения достоверности передачи информации по каналу с помехами.

  1.3 СЖАТИЕ ДАННЫХ

  Сжатие возможно, т.к. данные на выходе источника содержат избыточную и/или плохо различимую информацию.

  Плохо различимая информация - информация, которая не воздействует на ее приемник. Подобная информация сокращается или удаляется при использовании сжатия с потерями . При этом энтропия исходной информации уменьшается. Сжатие с потерями применяется при сжатии цифровых изображений и оцифрованного звука.

  Приемы, применяемые в алгоритмах сжатия с потерями:

  Использование модели – подбор параметров модели и передача только одних параметров;

  Предсказание – предсказание последующего элемента и передача величины ошибки;

  Дифференциальное кодирование – передача изменений последующего элемента при сравнении с предыдущим.

  Избыточная информация – информация, которая не добавляет знаний о предмете. Избыточность может быть уменьшена или устранена с помощью сжатия без потерь (эффективного кодирования) . При этом энтропия данных остается неизменной. Сжатие без потерь применяется в системах передачи данных.

  Приемы, применяемые в алгоритмах сжатия без потерь:

  Кодирование длин последовательностей – передача числа повторяющихся элементов;

  Кодирование словаря – использование ссылок на переданные ранее последовательности, а не их повторение;

  Неравномерное кодирование – более вероятным символам присваиваются более короткие кодовые слова.

  1.4 КОДИРОВАНИЕ СЛОВАРЯ

  Позволяет уменьшить избыточность, вызванную зависимостью между символами. Идея кодирования словаря состоит в замене часто встречающихся последовательностей символов ссылками на образцы, хранящиеся в специально создаваемой таблице (словаре). Данный подход основан на алгоритме LZ, описанном в работах израильских исследователей Зива и Лемпеля.

  1.5 НЕРАВНОМЕРНОЕ КОДИРОВАНИЕ

  Позволяет уменьшить избыточность, вызванную неравной вероятностью символов. Идея неравномерного кодирования состоит в использовании коротких кодовых слов для часто встречающихся символов и длинных – для редко возникающих. Данный подход основан на алгоритмах Шеннона-Фано и Хаффмана.

  Коды Шеннона-Фано и Хаффмана являются префиксными. Префиксный код – код, обладающий тем свойством, что никакое более короткое слово не является началом (префиксом) другого более длинного слова. Такой код всегда однозначно декодируем. Обратное неверно.

  Код Шеннона-Фано строится следующим образом. Символы источника выписываются в порядке убывания вероятностей (частот) их появления. Затем эти символы разбиваются на две части, верхнюю и нижнюю, так, чтобы суммарные вероятности этих частей были по возможности одинаковыми. Для символов верхней части в качестве первого символа кодового слова используется 1, а нижней – 0. Затем каждая из этих частей делится еще раз пополам и записывается второй символ кодового слова. Процесс повторяется до тех пор, пока в каждой из полученных частей не останется по одному символу.

  Пример1.1:

  Таблица 1.1 – Построение кода Шеннона-Фано.

  	Вероятность	Этапы разбиения

  Алгоритм Шеннона-Фано не всегда приводит к построению однозначного кода с наименьшей средней длиной кодового слова. От отмеченных недостатков свободен алгоритм Хаффмана.

  Код Хаффмана строится следующим образом. Символы источника располагают в порядке убывания вероятностей (частот) их появления. Два самых последних символа объединяют в один вспомогательный, которому приписывают суммарную вероятность. Полученные символы вновь располагают в порядке убывания вероятностей, а два последних объединяют. Процесс продолжается до тех пор, пока не останется единственный вспомогательный символ с вероятностью 1. Для нахождения кодовых комбинаций строится кодовое дерево. Из точки, соответствующей вероятности 1, направляются две ветви. Ветви с большей вероятностью присваивается символ 1, с меньшей – 0. Такое ветвление продолжается до достижения вероятности каждого символа. Двигаясь по кодовому дереву сверху вниз , записывают для каждого символа кодовую комбинацию.

  Пример1.2:

  Таблица 1.2 – Построение кода Хаффмана.

  

  Рисунок 1.2 – Кодовое дерево для кода Хаффмана.