31-01-2015_09-20-05 / Методические указания к выполнению лабораторной работы 4 по ЦСП

4 Коды с замещением серии нулей

Главным недостатком кода с чередованием полярности импульсов является возможность появления в цифровом сигнале длинных серий нулей, что затрудняет выделение тактовой частоты в регенераторах. Для устранения указанного недостатка биполярный код был усовершенствован путем замены серии из N подряд идущих нулей специальными кодовыми комбинациями (вставками), содержащими единичные импульсы. На приемной стороне такие вставки, естественно, должны обнаруживаться и заменяться обратно на серии нулей. В результате такой несложной процедуры плотность единичных импульсов в цифровом сигнале увеличивается, что положительно сказывается на работе схем выделения тактовой частоты.

Следует заметить, что в зависимости от длины замещаемой серии нолей существует несколько разновидностей данных кодов. В ЦСП наибольшее распространение получили коды HDB-3, B3ZS и B8ZS.

4.1 Код с высокой плотностью единиц HDB-3

Использование вставок в коде с чередованием полярности импульсов привело к появлению так называемого модифицированного кода ЧПИ (МЧПИ). МСЭ-Т рекомендует использовать в цифровых системах передачи код с высокой плотностью единиц (КВП) или HDB (High Density Bipolar). Наибольшее распространение в ЦСП нашел код HDB-3, в котором серия из четырех подряд идущих нулей 0000 заменяется вставками двух видов: 0001 или 1001. Вид вставки выбирается по следующему правилу: если после последней вставки следовало нечетное число единиц, то выбирается вставка первого типа – 0001, а если четное – то вставка второго типа – 1001. Полярность импульсов во вставке определяется следующим образом: полярность импульса во вставке первого типа совпадает с полярностью последнего импульса до вставки, а полярность импульсов во вставке второго типа одинаковая и обратная полярности последнего импульса до вставки.

Рисунок 4.1 – Виды вставок для кода HDB-3

Таким образом, при появлении вставки всегда имеет место нарушение полярности следования импульсов. Такое правило выбора вставок позволяет легко обнаруживать и удалять их на приемной стороне, а также поддерживать нулевой уровень постоянной составляющей. Действительно, при очень длинной серии нулей будут использоваться только вставки второго типа с чередующейся полярностью, что всегда будет соответствовать нулевому уровню постоянной составляющей.

а)

б)

Рисунок 4.2 – Пример использования вставок для кода HDB-3

В некоторых источниках для более компактного указания правила использования вставок используют следующее обозначение: для вставки первого типа 000V, для вставки второго типа B00V. Здесь символ B означает единицу с полярностью согласно правилу ЧПИ, то есть полярностью, обратной по отношению к предыдущему импульсу, а V – единицу с нарушением правила чередования полярности, то есть такой же полярности, что и предыдущий импульс.

Линейный код HDB-3 используется для цифровых систем передачи первого, второго и третьего уровня плезиохронной иерархии, работающих по металлическому кабелю.

4.2 Код B3ZS

В коде B3ZS (Bipolar with 3-Zeros Substitution) серия из 3 и более идущих подряд нулей заменяется специальными вставками, содержащими единицы. Тем самым

достигается устранение длинных серий нулей, затрудняющих выделение тактовой частоты на приеме. В качестве вставок используются комбинации двух видов – 00V и B0V. Комбинация вида 00V содержит два тактовых интервала без импульсов, за которыми следует одиночный импульс, содержащий нарушение полярности (V). Комбинация вида B0V содержит одиночный импульс, соответствующий правильной последовательности биполярного кода (B), за которым следует пауза (0), и заканчивается импульсом с нарушением биполярности (V). При любом типе вставки нарушение полярности происходит всегда на позиции последнего бита во вставке, поэтому место замены легко обнаруживается на приеме.

Рисунок 4.3 – Пример замещения серии нулей в коде B3ZS

4.3 Код B8ZS

Код B8ZS (Bipolar with 8-Zeros Substitution) заменяет вставками последовательности, состоящие только из 8 и более нулей. При замене используется всего один вид вставки – 000VB0VB, где V означает единицу неправильной полярности, нарушающей правило чередования полярности импульсов, то есть повторяющую полярность предыдущего импульса, а B – единицу правильной полярности. Пример замены серии из 8 нулей представлен на рисунке 4.4. Следует заметить, что код B8ZS используется в ЦСП американской иерархии.

Рисунок 4.3 – Пример замещения серии нулей в коде B8ZS

5 Код MLT-3

Линейный код MLT-3 (Multi-Level Transmit) также использует трехуровневое пространство амплитуд сигнала, однако правило кодирования несколько отличается от кода AMI. При кодировании поочередно используются амплитуды -1, 0, +1, 0, причем при передаче единицы происходит переход к следующей амплитуде, а при передаче нуля амплитуда сохраняется. В этом код MLT-3 чем-то похож на код NRZ, однако при эффективности 1 бит/бод данный код требует четырех тактов сигнала для завершения всего цикла. По этой причине максимальная частота спектра такого сигнала оказывается в четыре раза меньше ширины спектра обычного биполярного кода.

Рисунок 5.1 – Код MLT-3

Код MLT-3 впервые был предложен компанией Cisco Systems для использования в сетях FDDI, однако позже область его применения была расширена и на технологию Fast Ethernet. К преимуществам кода MLT-3 можно отнести меньший уровень электромагнитных помех от передатчика и более узкая полоса занимаемых частот по сравнению с биполярными кодами.

6 Парноселективный троичный код PST

Помимо кодов вида HDB-N или BNZS, использующих трехуровневое кодовое пространство с целью устранения постоянной составляющей и улучшения хронирующих свойств сигнала, существуют другие разновидности троичных кодов, обладающих теми же самыми преимуществами. Одним из таких кодов является парноселективный троичный код (PST).

Процесс преобразования к коду вида PST начинается с разделения исходного двоичного сигнала на пары бит, которые затем преобразуются в пары трехуровневых сигналов по определенной таблице. Поскольку двухсимвольных двоичных комбинации может быть только четыре, а двухсимвольных троичных комбинаций уже девять, существует значительная гибкость в выборе способа преобразования в выходные кодовые комбинации, то есть таблицы преобразования. Одна из таких таблиц приведена ниже.

Таблица 6.1 – Таблица соответствия между входными и выходными комбинациями для кода PST

Входной код	Положительная мода	Отрицательная мода
00	- +	- +
01	0 +	0 -
10	+ 0	- 0
11	+ -	+ -

В этой таблице существует два разных столбца – левый и правый, соответствующие положительной и отрицательной модам. При передаче кодовые комбинации выбираются из одного столбца до тех пор, пока не будет передан одиночный импульс (двоичный сигнал вида 01 или 10). В этот момент моды в преобразователе кодов переключаются и кодовые комбинации выбираются из другого столбца до тех пор, пока вновь не будет передан одиночный импульс.

Данный способ кодирования не только обладает уверенными тактирующими свойствами, то и еще не содержит постоянной составляющей, что обусловлено балансом положительных и отрицательных импульсов. Пример преобразования с использованием кода PST приведен на рисунке 6.1.

Рисунок 6.1- Парноселективный код PST

На приеме приходится решать проблему разделения линейного сигнала на пары троичных символов для последующего декодирования. Неправильное разделение на пары может привести к получению совершенно неправильного выходного двоичного сигнала, что, естественно, недопустимо. Проблема правильного разделения на пары решается относительно легко: дело в том, что при неправильном разделении образуются пары недопустимых символов, например, 00, ++ или --, которые не используются для передачи.

7 Биимпульсный (манчестерский) код

В биполярных кодах, таких как BNZS и PST, для устранения плавания постоянной составляющей и достижения достаточного числа хронирующих переходов использовались дополнительные уровни. То есть желаемые свойства линейного сигнала получены за счет использования трехуровневого кодового пространства, а не расширения полосы используемых частот. Спектр перечисленных выше сигналов примерно одинаков и всегда содержит первый нуль на частоте, равной 1/T, численно соответствующей скорости передачи.

Однако существует большое количество кодов, которые добиваются устранения плавания постоянной составляющей и хороших хронирующих свойств за счет расширения полосы частот при использовании только двух уровней амплитуды сигнала. Одним из

наиболее известных кодов такого типа является абсолютный биимпульсный код, также известный под названием манчестерский код (Manchester code).

В абсолютном биимпульсном коде один период прямоугольного колебания в определенной фазе используется для передачи единицы, а другой период в противоположной фазе – для передачи нуля (рисунок 7.1). Следует заметить, что существует два разных подхода к представлению 1 и 0. Первый подход был предложен Томасом в 1949 коду и предполагает, что единица передается перепадом от высокого уровня к низкому, а ноль – наоборот, перепадом от низкого уровня к высокому. Согласно другому подходу, предложенному в стандарте IEEE 802.3, единица и ноль кодируются с точностью противоположно.

Рисунок 7.1 – Два подхода к кодированию единицы и ноля в биимпульсном коде

Пример последовательности, преобразованной к абсолютному биимпульсному коду, представлен на рисунке 7.2.

Рисунок 7.2 – Абсолютный биимпульсный код

Как видно из рисунка, в середине каждого тактового интервала имеется переход, что означает наличие уверенного уровня тактовой частоты в спектре сигнала. Кроме того, единицы и нули примерно сбалансированы по количеству и занимают одинаковую площадь, что означает отсутствие постоянной составляющей. Однако абсолютный биимпульсный код не содержит избыточности, поэтому отсутствует возможность контроля качества передачи, а для осуществления такого контроля необходимо вводить проверочные элементы либо осуществлять более сложный контроль качества приема импульсов.

Спектр абсолютного биимпульсного кода приведен на рисунке 7.3. Очевидно, что первый ноль спектра сигнала приходится на частоту 2/T, что означает расширение спектра биимпульсного кода в два раза по сравнению со спектром кода NRZ. С другой стороны, абсолютный биимпульсный код имеет меньшую вероятность ошибок по сравнению с трехуровневыми биполярными сигналами при равном отношении сигнал/шум.

Рисунок 7.3 – Спектр абсолютного биимпульсного кода и кода NRZ

Другим недостатком абсолютного биимпульсного кода является то, что сигнал единицы является негативной копией сигнала, соответствующего нулю. Однако во многих системах передачи может оказаться невозможным определение абсолютной полярности или эталона абсолютной фазы. Может так случиться, что декодер станет представлять все единицы нулями, а нули – единицами.

Для устранения этого недостатка может быть использован относительный биимпульсный код (Differential Manchester Encoding или CDP – Conditioned Diphase Encoding), в котором единица кодируется изменением предыдущего состояния, а нуль – сохранением предыдущего состояния (рисунок 7.4). Таким образом, для декодирования такого сигнала абсолютный эталон вообще не требуется: при обратном преобразовании просто определяется состояние сигнала в каждом тактовом интервале и сравнивается с состоянием в предыдущем интервале – если произошло изменение, то фиксируется 1, а в противоположном случае фиксируется 0.

Рисунок 7.4 – Относительный биимпульсный код

При использовании относительного биимпульсного кода спектр сигнала не изменяется, однако вдвое увеличивается коэффициент ошибок: если декодер ошибается в приеме одного тактового интервала, то он сделает ошибку и при приеме следующего интервала.

Относительный биимпульсный код описан в стандарте IEEE 802.5 и используется в сетях Token Ring, а также в магнитных и оптических накопителях.

8 Код с инверсией токовых посылок CMI

Существует ряд кодов передачи, подобных абсолютному биимпульсному коду, например, код с инверсией токовых посылок CMI (Coded Mark Inversion). В этом коде единицы преобразуются в импульсы без возвращения к нулю, затянутые на весь тактовый интервал, с полярностью, противоположной полярности предыдущего импульса, а нули представляются биимпульсным сигналом в определенной фазе (рисунок 8.1). В случае использования в качестве среды передачи сигнала оптического кабеля единицы преобразуются либо импульсы, затянутые на весь тактовый интервал (11), либо в нули (00). Нули в свою очередь заменяются на 01 или 10, причем постоянно используется только одна из выбранных комбинаций. Такой код обладает хорошими хронирующими свойствами, поскольку в нем имеется достаточное количество переходов, а также отсутствует неопределенность в определении единиц и нулей на приеме. Однако чувствительность к ошибкам у кода CMI гораздо больше (на 3 дБ), чем у абсолютного биимпульсного кода.

Рисунок 8.1 – Код с инверсией токовых посылок CMI

Код CMI согласно рекомендациям МСЭ-Т предназначен для использования в цифровых системах передачи четвертого уровня иерархии, работающих на скоростях

139,264 Мбит/с.

9 Троичный код 4B3T

Биполярные коды и код PST для передачи двоичного сигнала используют пространство троичного кода не очень эффективно. Например, при передаче восьми символов трехуровневого кода общее число комбинаций составляет 38=6561, в то время как восемь символов двоичного кода дают только 28=256 кодовых комбинаций.

Более эффективное использование кодового пространства достигается в троичном коде 4B3T, также известном как код FOMOT. Поскольку двоичные комбинации из четырех битов задействуют только 16 из 27 возможных троичных трехсимвольных комбинаций, существует значительная гибкость в выборе троичных кодов. В таблице 9.1 представлен один из возможных алгоритмов формирования троичного кода. Кодовые комбинации в среднем столбце сбалансированы по уровню постоянной составляющей, в то время как кодовые комбинации из левого и правого столбцов выбираются поочередно. Так, если было передано больше положительных импульсов, чем отрицательных, выбираются кодовые комбинации из левого столбца. Когда же баланс смещается в сторону отрицательных импульсов, выбирается правый столбец.

Таблица 9.1 – Соответствие входных и выходных кодовых комбинаций для кода 4B3T

	Двоичная кодовая			Троичная кодовая комбинация
	комбинация		-		0		+
0000			- - -				+ + +
0001			- - 0				+ + 0
0010			- 0 -				+ 0 +
0011			0 - -				0 + +
0100			- - +				+ + -
0101			- + -				+ - +
0110			+ - -				- + +
0111			- 0 0				+ 0 0
1000			0 - 0				0 + 0

1001	0 0 -		0 0 +
1010		0 + -
1011		0 - +
1100		+ 0 -
1101		- 0 +
1110		+ - 0
1111		- + 0

Пример преобразования в код 4B3T приведен на рисунке 9.1.

Рисунок 9.1 – Линейный код 4B3T

Как видно из таблицы, троичная кодовая комбинация из одних нулей вообще не используется, что необходимо для поддержания стабильного уровня тактовой частоты в линейном сигнале.

10 Избыточные коды

При использовании избыточных кодов требуемые свойства линейного сигнала достигаются за счет увеличения числа передаваемых бит. При этом исходный двоичный сигнал разбивается на группы бит, каждая из которых заменяется кодовой комбинацией большей длины. Так, например, существуют избыточные коды вида: 4B5B, 6B8B, 8B10B, 64B66B и другие.

Рассмотрим наиболее простой из таких кодов – 4B5B, используемый в технологиях FDDI и Fast Ethernet. При кодировании исходный поток бит разбивается на кодовые комбинации из 4 бит, каждая из которых затем заменяется комбинацией из 5 бит. Поскольку число кодовых комбинаций из 4 бит равно 16, а из пяти бит – 32, то существует свобода выбора в способе преобразования входного сигнала в выходной. Обычно из 32 возможных комбинаций выбираются 16 разрешенных для передачи, обладающих большим числом переходов и не содержащих длинных серий нулей, а остальные кодовые комбинации объявляются запрещенными. Такое деление позволяет с одной стороны улучшить хронирующие свойства сигнала и избавиться от постоянной составляющей в спектре сигнала, а с другой стороны – вести на приемной стороне контроль качества передачи. Действительно, прием запрещенной кодовой комбинации может означать лишь одно – в линии возникла ошибка, исказившая один из битов информации. Следует заметить, что данный код успешно справляется с обнаружением лишь однократных ошибок, в то время как двукратные могут остаться незамеченными.