Двоичное кодирование квантованного сигнала

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

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

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

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

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

Особенности дискретных цифровых систем связи

Блок-схема дискретной цифровой системы связи

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

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

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

Функция синхронизации

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

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

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

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

Функция трансляции

Функция трансляции/преобразования выполняет три разные задачи:

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

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

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

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

Методы кодирования

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

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

Линейное кодирование

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

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

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

• (несут) информацию о тактовой частоте передаваемого сигнала;

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Третий сигнал (рис.1-10г) - однополярный код с возвращением к нупю - однополярный RZ, в котором "1" представлена импульсом с амплитудой +V и шириной Т_б /2 с нулевым промежутком той же длины, а "0" - нулевым промежутком длины Т_б.

Четвертый сигнал (рис.1-10д) - двухполярный код с возвращением к нулю - двухполярный RZ. Этот код м.б. модифицирован (рис.1-10е), если не ис- пользовать отрицательных импульсов для кодирования "0" (а передавать его отсутствием импульса) и инвертировать амплитуду каждого следующего "1"-гo импульса. Такой код называют " двухполярным RZ c инверсией на 1 "или кодом " двухполярный RZ-АМI "(код AMI - Alternate Mark Inversion).

Пятым представлен так называемый двухуровневый " код с инверсией полярности кодовых комбинаций "(CMI) (рис.1-10ж). Существуют и другие более сложные коды, рассматриваемые при описании конкретных технологий(код Миллера - рис.1-10з, код HDB3, применяемый в PDH (рис.1-10и) и в SDH, которая использует ОВ в качестве среды передачи, рис.1-10к). Часто используют также "двухфазный" или так называемый " манчестерский код "(МК или МС), в котором "1" и "0" кодируются прямоугольными меандрами (волнами) с фазами 0°и 180°.

Рис.1-10 показывает, как выглядит сигнал, подаваемый в канал/линию связи. Коды RZ и NRZ широко используются в PDH, SDH и WDM, а манчестерский код - в технологиях ЛС: Ethernet, TR и FDDI.

Каждый из линейных кодов имеет свои особенности. Так коды RZ (в отличие от NRZ) -принципиалыю позволяют восстанавливать на приеме тактовую частоту синхронизации (в особенности двухполярный RZ) и называются иногда " самосинхронзирующимися " кодами. Однако они требуют вдвое большей полосы пропускания канала связи (максимальная частота основной гармоники равна 2 f), что часто является решающим фактором в пользу применения NRZ (у которых эта частота равна f).

Код RZ-AMI замечателен тем, что при одинаковой вероятности появления "0" и "1" сред- нее значение постоянной составляющей равно нулю, а максимальная частота основной гармо- ники равна f. Манчестерский код имеет те же особенности, что и код RZ-AMI, в плане посто- янной составляющей, и является самосинхронизирующимся кодом с максимальной частотой основной гармоники равной f /2.

Линейный код м.б. подвергнут шифрованию (или скремблированию) для получения шиф- рованного кода, используемого для защиты данных от возможного перехвата другими лицами. Это кодирование является пятым (хотя и необязательным) в цепи кодирований.

Кроме этих типов могут использоваться и другие типы кодирования, например, символь- ное кодирование букв/символов (при вводе в систему передачи) кодами ASCII или EBCDIC или кодирование с целью вставки бит синхропоследовательности, или м.б. использовано уже упомянутое интерфейсное кодирование для изменения формата данных при прохождении че- резинтерфейс. Эти типы кодирований являются служебными.

Сформированный и закодированный цифровой сигнал подается далее на передатчик или транспондер (приемопередатчик), который передает его без дополнительного преобразования в канал связи (в этом случае передача осуществляется основной полосой и называется осново-полосной ) или (с целью уменьшения энергетических затрат и переноса спектра частот сигна- ла) модулирует несущую частоту (переносчик) основополосным сигналом - информацион- ным носителем передаваемого сообщения.