tes-slides-03

			1. Кодирование цифровыхифровых данныхданных длядля передачипередачи
			Особенности линейногоного кодированиякодирования
		Необходимость кодирования цифровых данных:
		Информационные данные передаются по каналу связи с помощью сигналов
			(аналоговых или цифровых), для этого данные преобразуются в сигнал
		Для передачи цифровых данных цифровыми сигналами могут применяться три
			метода: линейное кодирование, блочное кодирование, скремблирование
Лекция 3.		Информационные данные представляются двоичной последовательностью
		Линейное кодирование преобразует последовательность бит в цифровой сигнал
			для эффективной передачи
Передача цифровых сигналов			Отправитель	Получатель
		Цифровые		Цифровые
		данные		данные
			Цифровой сигнал
E-mail: [e-mail]			Кодер	Деодер
Web: http://www.istu.ru/unit/prib/net/edu/teach/			Цифровой канал связи
			Рис. 1.1. Принцип линейного кодирования и декодирования
Лекция 3. Передача цифровых сигналов		1	Лекция 3. Передача цифровых сигналов		2
1. Кодирование цифровых данных для передачи			1. Кодирование цифровыхифровых данныхданных длядля передачипередачи
Особенности линейного кодирования			Особенности линейногоного кодированиякодирования
Элемент данных и сигнальный элемент:
При передаче цифровых данных основной целью является передача элементов			Два элемента данных	Четыре элемента данных
данных, которые представляют единицу информации (бит)
Элементы данных (биты) переносятся сигнальными элементами, каждый из
которых является наименьшей единицей цифрового сигнала
Иначе говоря, по каналу связи передаются сигнальные элементы, которые несут			Один сигнальный	Три сигнальных
в себе элементы данных
			элемент	элемента
Каждый сигнальный элемент переносит r элементов данных (см. рис. 1.2 и 1.3)			Два бита переносится одним сигнальным	Четыре бита переносится тремя
Один элемент данных	Один элемент данных		элементом (r = 2)	сигнальными элементами (r = 4/3)
		Рис. 1.3. Примеры передачи данных сигнальными элементами при r = 2 и r = 4/3
		Элемент данных и сигнальный элемент:
		При r = 1 один бит информации передается за один такт, т.е. переход из одного
			состояния в другое (всего два состояния сигнала)
Один сигнальный	Два сигнальных		При r = 1/2 один бит информации передается за два такта
элемент	элемента
			При r = 2 за один такт передается два бита информации (всего четыре состояния
Один элемент данных (бит) переносится	Для передачи одного бита необходимо
			сигнала)
одним сигнальным элементом (r = 1)	два сигнальных элемента (r = 1/2)
Рис. 1.2. Примеры передачи данных сигнальными элементами при r = 1 и r = 1/2			При r = 4/3 три сигнальных такта кодируют четыре бита (блочное кодирование)
Лекция 3. Передача цифровых сигналов		3	Лекция 3. Передача цифровых сигналов		4

		1. Кодирование цифровых данных для передачи		1. Кодирование цифровыхифровых данныхданных длядля передачипередачи
		Особенности линейного кодирования		Особенности линейногоного кодированиякодирования
	Скорости передачи бит/с и бод:			Аналогия в транспортных перевозках для скоростей передачи бит/с и бод:
		При передаче цифровых данных основной целью является передача элементов		Аналогией является: бод → автомобиль; бит → пассажир;
		данных (бит), которые представляют единицу информации		Один автомобиль может перевозить одного или более пассажиров
		Информационная скорость N – это количество элементов данных (бит),		Если за единицу времени каждый авто (бод) с места на место перевозит одного
		передаваемых за 1 сек, измеряется в бит/c		пассажира (бит), то 1000 автомобилей (бод) перевезут 1000 пассажиров (бит)
		Сигнальная скорость S – это количество сигнальных элементов, передаваемых за		Если каждый авто (бод) перевозит 4-х пассажиров (бит), то всего перевозится
		1 сек для представления элементов данных, измеряется в бод		4000 пассажиров (бит) за то же время, т.е. при том же трафике (сигнальной
	Один сигнальный элемент может представлять один или более бит данных (чем			скорости)
		больше, тем эффективнее передача)		Трафик, следовательно, требуемая ширина дороги (требуемая полоса
	В большинстве случаев целью является максимизация информационной			пропускания) определяется скоростью передачи бод, а не бит/с
		скорости при минимизации сигнальной скорости		Соотношение скоростей передачи N (бит/с) и S (бод):
	При увеличении информационной скорости обеспечивается передача большего			Соотношение информационной N и сигнальной S скоростей зависит от r, а также
		объема информации в единицу времени		от структуры информационных данных (последовательности бит)
	При уменьшении сигнальной скорости уменьшаются требования к полосе			Например, сигнальная скорость S будет отличаться при последовательности
		пропускания канала связи		данных «все нули» или «все единицы» от последовательности чередующихся
		Цель линейного кодирования: передача большего объема информации		«0» и «1»	Информационные данные ..1111111.. или ..0000000..		Сигнальные скорости
		используя меньшую полосу пропускания канала связи			Информационные данные ..10101010..		разные
		Лекция 3. Передача цифровых сигналов	5		Лекция 3. Передача цифровых сигналов		6
		1. Кодирование цифровых данных для передачи		1. Кодирование цифровыхифровых данныхданных длядля передачипередачи
		Особенности линейного кодирования		Особенности линейногоного кодированиякодирования
	Соотношение скоростей передачи N (бит/с) и S (бод):			Ширина спектра B цифрового линейного сигнала:
	Следовательно, реальная сигнальная скорость S находится в пределах от Smin			Цифровой сигнал является непериодическим и теоретически его спектр является
		(лучший случай) до Smax (худший случай) в зависимости от последовательности		непрерывным в бесконечном диапазоне
		информационных данных		На практике ширина спектра цифрового сигнала ограничивается (гармоники
	Наибольший интерес для передачи данных представляет «золотая середина» и			высокого порядка не учитываются) и называется эффективной шириной спектра
		принято определять среднюю (average) сигнальную скорость Save:		Теоретическая ширина спектра цифрового сигнала бесконечна,
		S = c × N × 1			эффективная ширина спектра конечна
		r		Требования к ширине полосы пропускания канала связи определяются
	где S – сигнальная скорость, бод; N – инф. скорость, бит/с; c –		коэффициент,	сигнальной скоростью, а не информационной
		учитывающий структуру информационного потока, может принимать значения		Чем чаще происходят изменения в сигнале, тем больше ширина его спектра
		от 0 до 1 (c = 0,5 для Save); r – количество бит, представляемых одним		Требуемая полоса пропускания (Гц) отражает требуемую ширину спектра
		сигнальным элементом		цифрового сигнала и она соответствует сигнальной скорости:
	Пример 1
					B = c × N × 1
	При передаче данных один бит представляется одним сигнальным элементом (r = 1).
					min	r
	Определить среднюю сигнальную скорость при информационной скорости 100 кбит/с.
				При заданной полосе пропускания можно определить максимальную
	Решение
				информационную скорость (бит/с):		N max = 1 × B × r
	Для Save c = 0,5. Следовательно Save = 0,5 × 100000 × 1 = 50 кбод
						c
		Лекция 3. Передача цифровых сигналов	7		Лекция 3. Передача цифровых сигналов		8

1. Кодирование цифровых данных для передачи						1. Кодирование цифровыхифровых данныхданных длядля передачипередачи
Особенности линейного кодирования						Особенности линейногоного кодированиякодирования
Пример 2					Постоянная составляющая линейного сигнала:
Согласно формуле Найквиста для канала без шумов максимальная информационная скорость					При линейном кодировании сигнал может иметь постоянную составляющую
определяется как Nmax = 2 × B × log 2L. Как формула Найквиста согласуется с
						(DC – Direct Current), которая является нежелательной по двум причинам:
предыдущей формулой определения информационной скорости (см. слайд 8)?					Амплитуда			1. В цепях без постоянного тока
Решение
								(например, с трансформаторными
Сигнал с L уровнями обеспечивает перенос log2L бит за один такт (сигнальный элемент).								преобразователями) постоянная
Сигнальные элементы определяются уровнем (каждый уровень соответствует одному								составляющая сигнала отсекается и,
сигнальному элементу) и для средней скорости c = 0,5. Следовательно:								следовательно, сигнал искажается
	Nmax = 1 × B ×r = 2 × B ×log2 L					Сигнал с постоянной составляющей	Время	2. При наличии в сигнале постоянной
	c				Амплитуда			составляющей затрачивается больше
Особенности детектирования сигнала:								энергии
						Уровень DC
При детектировании цифрового сигнала приемник непрерывно оценивает								Например, телефонный канал
	текущее значение среднего уровня принимаемого сигнала за определенный							обеспечивает передачу сигнала в
	интервал и определяет его как пороговый уровень (baseline)
								диапазоне 300…3400	Гц, т.е.
В дискретные моменты времени, расположенные посередине сигнального							Время	постоянная составляющая по такому
	интервала, приемник оценивает уровень сигнального элемента и сравнивает с					Сигнал без постоянной составляющей		каналу не передается
	пороговым уровнем для идентификации сигнального элемента
								Каналы с трансформаторной
Длительные последовательности данных «0» и «1» могли бы смещать						Рис. 1.4. Примеры сигналов с		развязкой не обеспечивают передачу
	пороговый уровень, однако схемы линейного кодирования это предотвращают					постоянной составляющей и без		постоянного уровня сигнала
	Лекция 3. Передача цифровых сигналов			9		Лекция 3. Передача цифровых сигналов			10
1. Кодирование цифровых данных для передачи						1. Кодирование цифровыхифровых данныхданных длядля передачипередачи
Особенности линейного кодирования						Особенности линейногоного кодированиякодирования
Самосинхронизация линейного сигнала:					Пример 3
Для правильного распознавания принимаемых сигналов интервалы сигнальных					При цифровой передаче без самосинхронизации тактовая частота приемника на 0,1 % больше
элементов на приеме должны точно совпадать с интервалами на передаче					тактовой частоты передатчика. Сколько бит информации приемник примет за 1
Приемнику необходимо оценивать каждый сигнальный элемент в центре его					секунду a) при скорость передачи данных 1 кбит/c? б) при скорости 1 Мбит/с?
интервала и даже незначительная разница тактовой частоты приемника и					Решение
передатчика приводит к ошибкам распознавания сигнальных элементов					Приемник за 1 с зафиксирует на 1/1000 бит больше, чем передавалось за то же время:
	Интервал передачи	В примере на рис. 1.5 передается			а) Передано бит за 1 с → 1000; принято бит за 1 с → 1001
			последовательность 10110001, но		б) Передано бит за 1 с → 1000000; принято бит за 1 с → 1001000
			принимается – 110111000011,	т.к.
			частота приема опережает частоту		Некоторые дополнительные свойства линейных кодов:
	Время		передачи
						Обнаружение ошибок – некоторые типы линейного кодирования
На передаче	Моменты распознавания		Самосинхронизация может
	Интервал приема		обеспечиваться по скачкам сигнала			обеспечивают функции обнаружения ошибок на основе деление всех
						комбинаций кода на разрешенные и запрещенные
			с одного уровня на другой
						Устойчивость к помехам – рад линейных кодов обеспечивают повышение
			(поэлементная синхронизация)
	Время		Каждый «скачек» приемник			помехоустойчивости
На приеме			воспринимает как начало интервала
			сигнального элемента
	Рис. 1.5. Сбой синхронизации
	Лекция 3. Передача цифровых сигналов			11		Лекция 3. Передача цифровых сигналов			12

1. Кодирование цифровых данных для передачи

1. Кодирование цифровыхифровых данныхданных длядля передачипередачи

Типы линейных кодов

Униполярный линейныййный кодкод

Классификация линейных кодов:

Униполярный код NRZ (без возврата к нулю):

Линейные коды принято разделять на пять основных категорий

В униполярном коде NRZ положительный уровень напряжения определяет бит

Каждая категория включает один или более типов линейных кодов

«1», нулевой уровень напряжения определяет бит «0»

При переходе из одного уровня в другой сигнал не возвращается к нулевому

уровню как к промежуточному состоянию

Униполярные

NRZ –

без возврата к нулю

В таком коде расходуется большая нормализованная мощность (мощность,

NRZ –

без возврата к нулю;

требуемая для передачи одного бит на единицу сопротивления) по сравнению с

RZ – c

возвратом к нулю;

Полярные

Манчестерский код

полярным кодом

Дифференциальный манчестерский код

Такой код не нашел практического применения

AMI –

код с ЧПИ;

Линейные коды

Биполярные

Амплитуда

Псевдотроичный код

Многоуровневые

2B/1Q, 8B/6T, 4D-PAM5

Многопереходные

MLT-3

Время

Рис. 1.6. Классификация линейных кодов

Рис. 1.7. Униполярный код NRZ

Лекция 3. Передача цифровых сигналов

13

Лекция 3. Передача цифровых сигналов

14

1. Кодирование цифровых данных для передачи

1. Кодирование цифровыхифровых данныхданных длядля передачипередачи

Полярные линейные коды

Полярные линейныее кодыкоды

Полярный код NRZ (без возврата к нулю):

Проблема вариации порогового уровня в полярном коде NRZ

В полярном коде уровни сигнала симметричны относительно нулевого уровня

Как NRZ-L,так и NRZ-I коды подвержены вариации постоянной составляющей

Различаю два вида полярного кода NRZ без возврата к нулю:

(baseline – пороговый уровень для детектирования бит) в линейном сигнале, при

NRZ-L (NRZ-Level) – полярный NRZ по уровню, где значение бит определяется

этом код NRZ-L более подвержен вариации, чем код NRZ-I

Для NRZ-L пороговый уровень смещается от нуля всякий раз при появлении как

уровнем сигнала

длинных последовательностей «0» (смещается вверх), так и «1» (смещается

Положительное напряжение – бит 0

вниз). При этом уменьшается вероятность правильного детектирования бит

Отрицательное напряжение – бит 1

Для NRZ-I такая проблема характерна только при появлении длинных

NRZ-I (NRZ-Invert) –

Амплитуда

последовательностей «0», которую можно избежать с дополнительным

полярный NRZ по инверсии

применением блочных кодов

где значение бит

Проблема синхронизации в полярном коде NRZ

определяется инверсией

NRZ-L

уровня сигнала

Время

Для NRZ-L вероятность сбоя битовой синхронизации повышается как при

Уровень сигнала не

NRZ-I

появлении длительных последовательностей «0», так и «1» из-за длительного

меняется – бит 0

отсутствия изменений уровня на линии

Время

Уровень сигнала меняется

Для NRZ-I такая проблема характерна только при появлении длинных

на противоположный

последовательностей «0», т.к. при появлении «1» происходит инвертирование

(инвертируется) – бит 1

Нет инверсии – бит 0

Инверсия – бит 1

уровня сигнала

Рис. 1.8. Полярный код NRZ

Лекция 3. Передача цифровых сигналов

15

Лекция 3. Передача цифровых сигналов

16

1. Кодирование цифровых данных для передачи				1. Кодирование цифровыхифровых данныхданных длядля передачипередачи
Полярные линейные коды				Полярные линейныее кодыкоды
Средняя сигнальная скорость в полярном коде NRZ				Полярный код RZ (с возвратом к нулю):
Для кодов NRZ-L и NRZ-I средняя сигнальная скорость, бод:				Используется три уровня сигнала: отрицательный, положительный и нулевой
Save = N/2				Смена уровня в начале битового интервала:
Спектр сигнала в полярном коде NRZ				уровень 0 → уровень +1:		соответствует биту «1»
Для кодов NRZ-L и NRZ-I плотность мощности P (мощности, приходящейся на				уровень 0 → уровень –1:		соответствует биту «0»
1 Гц спектра сигнала) показывает распределение энергии сигнала по спектру				В центре каждого интервала сигнал возвращается к нулевому уровню
Основная часть энергии сигнала				На каждый бит приходится два изменения уровня сигнала
сконцентрирована на частотах от 0 до N/2	r = 1	Bmin = Save	Save = N/2	Требуемая частотная полоса пропускания соответствует сигнальной скорости и в
Наличие постоянной составляющей приводит				два раза превосходит полосу для NRZ
к повышенному расходу энергии	P					r = 1/2	Bmin = Save		Save = N
Пример 3	Bmin			Амплитуда
						P
В коде NRZ информационная скорость N = 10 Мбит/с.
		Спектр сигнала					Спектр сигнала
Определить среднюю сигнальную скорость Save и
требуемую полосу пропускания Bmin канала связи.			f / N					Bmin
Решение						Время
Save = N/2 = 5 Мбод.	Рис. 1.9. Спектр сигнала кода NRZ			Такой код не нашел					f / N
Bmin = Save = 5 МГц.
				практического применения	Рис. 1.10. Полярный код RZ
Лекция 3. Передача цифровых сигналов			17		Лекция 3. Передача цифровых сигналов					18
1. Кодирование цифровых данных для передачи				1. Кодирование цифровыхифровых данныхданных длядля передачипередачи
Полярные линейные коды				Полярные линейныее кодыкоды
Манчестерский и дифференциальный манчестерский коды:				Манчестерский и дифференциальный манчестерский коды:
В Манчестерском коде используются два уровня и идеи из кодов RZ и NRZ-L				Недостаток таких кодов: удвоенная по сравнению с NRZ сигнальная скорость, а
Бит представляется сменой уровня в середине битового интервала				следовательно и ширина спектра сигнала
уровень +1 → уровень –1 ( отрицательный переход): соответствует биту «0»					Бит «1»
уровень –1 → уровень +1 (положительный переход): соответствует биту «1»				Бит «0»
Инверсия уровня в середине каждого интервала обеспечивает как
синхронизацию, так и представление бит							r = 1/2	Bmin = Save		Save = N
В дифференциальном Манчестерском коде используются идеи из кодов RZ и
				Манчестер-
NRZ-I. Также обеспечиваются переходы в середине битового интервала, но							P
				ский код		Время		Спектр сигнала
значение бита определяется наличием перехода в начале битового интервала
есть инверсия уровня в начале интервала: соответствует биту «0»
нет инверсии уровня в начале интервала: соответствует биту «1»				Дифферен-				Bmin
В Манчестерском и дифференциальном Манчестерском кодах отсутствуют				циальный						f / N
вариации порогового уровня и постоянная составляющая равна нулю, так как				Манчестер-		Время
				ский код
каждый бит интервал имеет положительный и отрицательный уровни
Инверсия уровня в середине битового интервала обеспечивают устойчивую				Нет инверсии – бит 1		Инверсия – бит 0
битовую синхронизацию				Рис. 1.11. Полярные коды: Манчестерский и дифференциальный Манчестерский
Лекция 3. Передача цифровых сигналов			19		Лекция 3. Передача цифровых сигналов					20

1. Кодирование цифровых данных для передачи

1. Кодирование цифровыхифровых данныхданных длядля передачипередачи

Биполярные линейные коды

Биполярные линейныеные кодыкоды

Классификация биполярных кодов:

Характеристики биполярных кодов:

Различают два типа биполярных кодов:

Основная энергия сигнала биполярных кодов сосредоточена вокруг частоты N/2

Код AMI (Alternate Mark Inversion – код с чередованием полярности импульсов)

Постоянная составляющая в сигнале биполярного кода отсутствует, т.к. для кода

Псевдотроичный код

AMI при длинных последовательностях «1» уровень сигнала поочередно меняет

В биполярных кодах используется три уровня: положительный, нулевой

полярность, при длительных последовательностях «0» сигнал остается нулевой

отрицательный, при этом один бит представляется нулевым уровнем, а другой

(для псевдотроичного кода наоборот)

бит – чередованием положительного и отрицательного уровнями

Код AMI имеет проблемы синхронизации при длительных последовательностях

Код AMI:

«0», проблема решается подстановкой символов (код HDB3)

Нулевой уровень сигнала представляет бит «0». Поочередная смена

Амплитуда

положительных и отрицательных уровней сигнала представляет бит «1»

r = 1

Bmin = Save Save = N/2

Псевдотроичный код:

P

Является разновидностью кода AMI

AMI

Спектр сигнала

Время

Нулевой уровень сигнала представляет бит «1». Поочередная смена

положительных и отрицательных уровней сигнала представляет бит «0»

Псевдотро-

Характеристики биполярных кодов:

ичный

Время

f / N

Биполярные коды имеют такую же сигнальную скорость, как в коде NRZ, но не

Рис. 1.12. Биполярные коды: AMI и псевдотроичный

имеют постоянной составляющей в сигнале Рис. 1.8. Полярный код NRZ

Лекция 3. Передача цифровых сигналов

21

Лекция 3. Передача цифровых сигналов

22

1. Кодирование цифровых данных для передачи

1. Кодирование цифровыхифровых данныхданных длядля передачипередачи

Многоуровневые линейные коды

Многоуровневые линейныенейные кодыкоды

Особенности многоуровневых кодов:

Код 2B1Q:

Важной задачей во многих случаях является увеличение информационной

2B1Q – четырехуровневый код кодирует комбинацию из двух двоичных бит в

скорости или уменьшение требуемой полосы пропускания

один из четырех уровней сигнального элемента (m = 2, n = 1, L = 4)

Решение – увеличение количества бит, приходящихся на один бод путем

Средняя сигнальная скорость для

Предыдущий уровень:

Предыдущий уровень:

кодирования блока данных из m бит в блок из n сигнальных элементов с L

положительный

отрицательный

кода 2B1Q равна Save = N/4

уровнями

За один такт (сигнальный

След.

Следующий

Следующий

Блоки двоичных данных образуют по 2m возможных комбинаций

элемент) передается два бита

бит

уровень

уровень

Блоки из n сигнальных элементов с L уровнями образуют Ln комбинаций

Избыточность кода отсутствует

При 2m = Ln каждый из блоков данных кодируется в один сигнальный блок

При 2m < Ln совокупность информационных комбинаций отображается лишь на

Таблица переходов

часть комбинаций сигнальных элементов, которые называются разрешенными,

r = 1/2 Bmin = Save

Save = N/4

что обеспечивает синхронизацию и обнаружение ошибок

При 2m < Ln невозможно корректное кодирование

P

В общем виде многоуровневый код принято обозначать mBnL, где m – длина

Спектр сигнала

Время

двоичного блока (B - binary), n – длина сигнального блока с L уровнями

Вместо L используются буквы: B (двоичный) для L = 2; T (троичный) для L = 3;

f / N

Q (четверичный) – для L = 4;

Пример для первого положительного уровня

Рис. 1.13. Четырехуровневый код 2B1Q

Лекция 3. Передача цифровых сигналов

23

Лекция 3. Передача цифровых сигналов

24

1. Кодирование цифровых данных для передачи

1. Кодирование цифровыхифровых данныхданных длядля передачипередачи

Многоуровневые линейные коды

Многоуровневые линейныенейные кодыкоды

Код

8B6T:

Код

4D-PAM5:

Двоичные данные разбиваются на блоки по 8 бит, каждый из которых

Четырехмерный код с пятиуровневой амплитудно-импульсной модуляцией:

транслируется в блоки по 6 троичных (трехуровневых) сигнальных элементов

4D – данные передаются сигнальными элементами одновременно по четырем парам;

Кодовое пространство двоичных блоков 28 = 256, а троичных – 3 6 = 478

PAM5 – каждый сигнальный элемент использует один из пяти уровней напряжения

Наличие избыточных сигнальных элементов (478 – 256 = 222) обеспечивает

(–2, –1, 0, +1, +2), для обнаружения ошибок уровень 0 является запрещенным, а

остальные уровни разрешенными

синхронизацию, баланс постоянной составляющей и обнаружение ошибок

В передающем устройстве, например в сетевой карте, блоки данных по 8 бит

Сигнальные блоки имеют вес 0 или +1 (вес – сумма сигнальных элементов в

параллельно поступают на кодер по 8-линейному интерфейсу

блоке). Если встречаются подряд два сигнальных блока с весом +1, то второй

Каждый такой байт транслируется в сигнальную группу, состоящую из четырех

блок инвертируется (рис. 1.14)

4-уровневых сигнальных элементов (это одномерный промежуточный код,

Средняя сигнальная скорость теоретически Save = 1/2 ×

N × 6/8 , на практике она

который можно было бы назвать 8B4Q). Максимальная сигнальная скорость в

близка к значению 6N/8

этом случае равна Smax = N × 4/8 = N/2

Затем каждый из четырех сигнальных элементов передается по отдельной паре,

т.е. четыре сигнальных элемента из сигнальной группы параллельно передаются

по четырем парам (четырехмерная последовательно-параллельная трансляция)

Максимальная сигнальная скорость таким образом уменьшается в 4 раза и равна

Smax = N/8

Рис. 1.14. Многоуровневый линейный код 8B6T

Лекция 3. Передача цифровых сигналов

25

Лекция 3. Передача цифровых сигналов

26

1. Кодирование цифровых данных для передачи

1. Кодирование цифровыхифровых данныхданных длядля передачипередачи

Многоуровневые линейные коды

Многопереходные линейныеинейные кодыкоды

Код 4D-PAM5 :

Код

MLT-3 (Multi-line Transmission) – многопереходный трехуровневый код:

Применяется в стандарте IEEE802.3z (1000Base-T) проводной передачи данных

NRZ-I и дифференциальный Манчестерский коды для кодирования двоичных

на скорости 1 Гбит/с по витой медной паре (кабель UTP)

данных используют только два правила перехода из одного уровня в другой: есть

инверсия (из «–» в «+» или наоборот), нет инверсии (уровень не меняется)

1 Гбит/с

Амплитуда

Если использовать более двух уровней сигнала, то можно применять более двух

250 Мбит/с

Пара 1 (125 Мбод/с)

правил перехода уровней

Код MLT-3 использует три уровня сигнала (+V, 0 и –V) и, соответственно, три

правила перехода из одного уровня в другой:

След. бит: 0

250 Мбит/с

Пара 2 (125 Мбод/с)

Если следующий бит «0» –

нет

перехода.

След. бит: 1

След. бит: 1

Если следующий бит «1», а

250 Мбит/с

текущий уровень не «0» – переход

След. бит: 1

Пара 3 (125 Мбод/с)

на уровень «0»

Если следующий бит «1», а

Последний

Последний

250 Мбит/с

текущий уровень «0» – переход на

ненулевой

ненулевой

Пара 4 (125 Мбод/с)

уровень, инверсный по

След. бит: 0

уровень:

уровень:

След. бит: 0

отношению к последнему

+V

–V

ненулевому уровню

Рис. 1.15. Многоуровневый код 4D-PAM5

Рис. 1.16. Диаграмма состояний для кодаMLT-3

Лекция 3. Передача цифровых сигналов

27

Лекция 3. Передача цифровых сигналов

28

1. Кодирование цифровых данных для передачи

1. Кодирование цифровыхифровых данныхданных длядля передачипередачи

Многопереходные линейные коды

Сравнительные характеристикирактеристики линейныхлинейных кодовкодов

Код

MLT-3:

Наихудшим сценарием является длинная последовательность данных «1», при

Категория

Тип

Ширина

Характеристика

которой формируется периодический сигнал с периодом четыре бит-интервала

спектра

При грубой аппроксимации

Униполярные

NRZ

B=N/2

Простой, без самосинхр. при длинных 0 или 1, DC

сигнала можно добиться

NRZ-L

B=N/2

Без самосинхр. при длинных 0 или 1, DC

низкой сигнальной скорости

Полярные

NRZ-I

B=N/2

Без самосинхр. при длинных 0, DC

Применяется в стандарте

Время

IEEE802.3u (100Base-TX)

Бифазные

B=N

Самосинхр., без DC, большая ширина спектра

проводной передачи данных

Типичный случай

Биполярные

AMI

B=N/2

Без самосинхр. при длинных 0, DC

на скорости 100 Мбит/с по

витой медной паре (кабель

2B1Q

B=N/4

Без самосинхр. при длинных 00 или 11

UTP)

Многоуровневые

8B6T

B=3N/4

Самосинхр., без DC

4D-PAM5

B=N/8

Самосинхр., без DC, малая ширина спектра

Время

Многопереходные

MLT-3

B=N/3

Без самосинхр. при длинных 0

Худший случай

DC – наличие постоянной составляющей

Рис. 1.17. Примеры сигнала для кода MLT-3

Лекция 3. Передача цифровых сигналов

29

Лекция 3. Передача цифровых сигналов

30

1. Кодирование цифровых данных для передачи

1. Кодирование цифровыхифровых данныхданных длядля передачипередачи

Блочные коды

Блочные коды

Свойства блочных кодов:

4B/5B:

Для надежной битовой синхронизации и обнаружения ошибок вводится

Код 4B/5B разработан для применения совместно с кодом NRZ-I, т.к. NRZ-I не

избыточность в блоке двоичных символов данных с помощью блочного

обеспечивает самосинхронизацию при длинных последовательностях “0”

кодирования

Код 4B/5B исключает последовательности, содержащие более 2-х нулей

Блочный кодер преобразует блок двоичных данных из m бит в блок из n бит, где

Блочный 5-битный код не содержит комбинации с более чем одним нулевым

n > m. Общее обозначение блочного кода: nB/mB (например, 4B/5B)

битом слева, а также комбинации с более чем двумя нулевыми битами справа

Блочный код отличается в обозначении от многоуровнего кода наличием

наклонной черты “/” (4B/5B –

блочный код; 8B6T - многоуровневый код)

Передатчик

Приемник

Деление потока n-битные на блоки

Блочное кодирование включает три

m бит

m бит

m бит

шага: разделение потока на блоки,

замена блоков, формирование потока

Первый шаг:последовательность бит

Цифровой сигнал

Замена

данных делится на блоки длиной m

mB на nB

Второй шаг: m-битные блоки

4B/5B

NRZ-I

NRZ-I

4B/5B

заменяются на n-битные блоки

кодирование

кодирование

Канал связи

декодир-ние

декодир-ние

Третий шаг: n-битные блоки

n бит

n бит

n бит

объединяются в общий поток

Объединение n-битных блоков в поток

Рис. 1.19. Применение кода 4B/5B совместно с кодом NRZ-I

Рис. 1.18. Принцип блочного кодирования

Лекция 3. Передача цифровых сигналов

31

Лекция 3. Передача цифровых сигналов

32

	1. Кодирование цифровых данных для передачи			1. Кодирование цифровыхифровых данныхданных длядля передачипередачи
	Блочные коды			Блочные коды
	4B/5B:			8B/10B:
	Код 4B/5B решает проблему битовой самосинхронизации, однако он			Код 8B/10B по своему назначению сходен с кодом 4B/5B, но отличается
	способствует увеличению сигнальной скорости кода NRZ-I			количеством бит блока на входе (8 бит) и выходе (10 бит) кодера
	Избыточность увеличивает сигнальную скорость на 20 %			Блочный код 8B/10B реализуется комбинацией блочных кодов 5B/6B и 3B/4B
	Блочный код 4B/5B не устраняет постоянную составляющую в коде NRZ-I			Наиболее значимые 5 бит из 8 битного блока подаются на 5B/6B кодер,
	Если наличие постоянной составляющей в сигнале не допустимо, то			остальные 3 бита подаются на 3B/4B кодер
	используются бифазные или биполярные коды			Для предотвращения длинных последовательностей “0” или “1” используется
	4-битные блоки			контролер паритета, который превышение количества “0”				над “1” или наоборот
				При появлении большой диспропорции элементов контроллер инвертирует их
				Избыточная группа	Кодер 8B/10B
				комбинаций в блоке
				равна 210 – 2 8 =768		Кодер
				обнаружения ошибок
						5B/6B
				8-битные блоки		Контроллер		10-битные блоки
							паритета
						Кодер
						3B/4B
	5-битные блоки
	Рис. 1.20. Кодирование в коде 4B/5B				Рис. 1.21. Кодирование в коде 8B/10B
	Лекция 3. Передача цифровых сигналов		33		Лекция 3. Передача цифровых сигналов			34
	1. Кодирование цифровых данных для передачи			1. Кодирование цифровыхифровых данныхданных длядля передачипередачи
	Коды с подстановкой элементов			Коды с подстановкойой элементовэлементов
	Подстановка элементов:			HDB3:
	Бифазные типы (Манчестерские) кодов требуют широкую полосу канала, а			Является модифицированным AMI кодом, использующим три правила
	комбинации блочного и NRZ кодов приводят к наличию ненулевого постоянного			перестановки элементов
	уровня сигнала (DC), поэтому непригодны для линий большой протяженности			Если после последней подстановки и до следующей длиной паузы количество
	Сигнал с биполярным AMI кодом имеет узкий спектр без постоянного уровня			ненулевых импульсов (единиц) четное, то пауза заменяется комбинацией B00V, если
	сигнала и более пригоден для длинных линий, однако незащищен от длинных			нечетное, то комбинацией 000V
				Полярность импульса B всегда противоположна предшествующему импульсу
	последовательностей “0”
			Для длинных линий	Полярность импульса V всегда совпадает с полярностью предшествующего импульса
	Система	Система	может быть		Первая	Вторая	Третья
	передачи	приема	пригоден код HDB3		подстановка	подстановка	подстановка
	Кодированный сигнал		HDB3 – это
			модифицированный
	Код HDB3	Код HDB3	AMI код с
	Рис. 1.22. Применение модифицированного AMI		подстановкой
	HDB3:		символов
	Код HDB3 (High-Density Bipolar 3) является биполярным кодом высокой
	плотности 3-го порядка, в котором любая последовательность 4-х нулей			Чет		Чет Нечет	Чет	Чет
	заменяется на последовательность 000V или B00V для поддержания симметрии				Рис. 1.23. Кодирование в коде HDB3
	Лекция 3. Передача цифровых сигналов		35		Лекция 3. Передача цифровых сигналов			36

	2. Аналого-цифровое преобразование сигналов					2. Аналого-цифровоеовое преобразованиепреобразование сигналовсигналов
	Импульсно-кодовая модуляция (ИКМ)					Импульсно-кодовая модуляциямодуляция ((ИКМИКМ))
Назначение ИКМ:					Основная идея ИКМ:
Кодирование цифровых данных предназначено для их преобразования в					ИКМ кодер выполняет три основных функции:
	цифровой сигнал с целью эффективной передачи						Дискретизация
Передача информации с помощью цифровых сигналов является более							Квантование	Квантованный сигнал
	эффективной по сравнению с аналоговыми сигналами						Кодирование
	На длинных линиях сигнал более подвержен затуханию
	Усилители вносят искажения
Передача аналоговой информации (речь) на длинной дистанции целесообразнее							ИКМ кодер
	осуществлять с помощью цифровых сигналов
Одним из наиболее распространенным видом модуляции для передачи							Дискрети-	Квантова-	Кодиро-
	информации на большие расстояния является Импульсно-кодовая модуляция						зация	ние	вание
									Цифровые данные
Идея цифровизации сигнала возникла в телефонной связи для эффективной					Аналоговый сигнал
	передачи речевой информации
	Импульсно-кодовая модуляция (Pulse code modulation – PCM) базируется на
	преобразовании аналогового сигнала в цифровой посредством дискретизации,
	квантования и кодирования						ИКМ сигнал
							Рис. 1.24. Основные элементы ИКМ кодера
		Лекция 3. Передача цифровых сигналов		37			Лекция 3. Передача цифровых сигналов			38
	2. Аналого-цифровое преобразование сигналов					2. Аналого-цифровоеовое преобразованиепреобразование сигналовсигналов
	Импульсно-кодовая модуляция (ИКМ)					Импульсно-кодовая модуляциямодуляция ((ИКМИКМ))
Дискретизация:					Дискретизация:
Дискретизация использует Амплитудно-Импульсную Модуляцию (АИМ), при					Существует два метода дискретизации по времени:
	которой генерируется последовательность импульсов через равные интервалы с					АИМ-1 (Амплиткдно-импульсная модуляция 1-го типа)
	амплитудами, повторяющими исходный аналоговый сигнал					АИМ-2 (Амплитудно-импульсная модуляция 2-го типа)
	Аналоговый сигнал дискретизируется каждые TS сек., где TS – дискр. интервал					АИМ-1 – мгновенные значения амплитуды импульсов повторяет мгновенные
	Частота дискретизации обратно пропорциональна дискр. интервалу: fS = 1/TS					значения амплитуды исходного непрерывного сигнала
		Амплитуда				АИМ-2 – амплитуда каждого отчета неизменна и равна значению непрерывного
	Амплитуда					сигнала в момент начала отчета
			TS					Амплитуда
					Амплитуда
							Аналоговый сигнал		Аналоговый сигнал
		Время		Время			Время			Время
		Аналоговый	АИМ сигнал
		сигнал					Рис. 1.26. АИМ-1		Рис. 1.27. АИМ-2
		Рис. 1.25. Принцип АИМ
		Лекция 3. Передача цифровых сигналов		39			Лекция 3. Передача цифровых сигналов			40