Методы кодирования данных в системах телекоммуникаций

Для синхронной передачи двоичный сигнал должен удовлетворять двум основным требованиям:

частота смены символов (1, 0) должна обеспечивать надежное выделение тактовой частоты непосредственно из принимаемого сигнала;

спектральная плотность мощности передаваемого сигнала должна быть, по возможности, постоянной и сосредоточенной в заданной области частот с целью снижения взаимного влияния каналов.

Одним из способов обработки двоичных посылок, удовлетворяющим данным требованиям является скремблирование (Scramble – перемешивание). Скремблирование – это обратимое преобразование структуры цифрового потока без изменения скорости передачи с целью получения свойств случайной последовательности.

Скремблер реализует логическую операцию суммирования по модулю два исходного и псевдослучайного двоичного сигналов. Дескремблер выделяет из принятой последовательности исходную информационную последовательность. На рис. 8.5 показано включение скремблера и дескремблера в канал связи.

Рис. 8.5 Схема включения скремблера и дескремблера в канал связи

Основным узлом скремблера является генератор псевдослучайной последовательности (ПСП), выполненный в виде линейного n-каскадного регистра с обратными связями, который формирует последовательность максимальной длины 2ⁿ-1. Различают два основных типа скремблеров-дескремблеров: самосинхронизирующиеся и с начальной установкой (аддитивные).

Схема пары самосинхронизирующихся устройств (скремблера и дескремлера) представлена на рис. 8.6

Рис. 8.6 Схема скремблирования с самосинхронизацией

Особенностью самосинхронизирующего скремблера является то, что он управляется самой скремблированной последовательностью, т. е. той, которая поступает в канал. При потере синхронизма между скремблером и дескремблером время его восстановления не превышает числа тактов, равного числу ячеек регистра скремблера.
На приемной стороне выделение информационной последовательности происходит путем сложения по модулю 2 принятой скремблированной последовательности с псевдослучайной последовательностью, формируемой регистром сдвига. Например, в схеме, изображенной на рис.7.5, входная последовательность a_n c помощью скремблера преобразуется в двоичную последовательность b_n=a_n XOR (b_n-6 XOR b_n-7), посылаемую в канал. В приемнике из этой последовательности таким же регистром сдвига, как и в передатчике, формируется последовательность a^*_n=b_n XOR (b_n-6 XOR b_n-7), которая идентична последовательности a_n.
Одним из недостатков самосинхронизирующихся скремблеров-дескремблеров является присущее им свойство размножения ошибок. Так, в схеме на рис. 8.6 при одной ошибке в последовательности b_n ошибочными оказываются также 6-й и 7-й символы. В общем случае влияние ошибочно принятого бита будет проявляться α раз, где α – число обратных связей. Данный недостаток ограничивает число обратных связей в регистре сдвига, которое практически не превышает α=2.
Второй недостаток самосинхронизирующих скремблеров связан с возможностью появления на его входе так называемых “критических ситуаций”, когда выходная последовательность повторяется с периодом, меньшим длины ПСП. Для предотвращения таких ситуаций в скремблере и дескремблере согласно рекомендациям ITU-T предусматриваются специальные дополнительные схемы контроля, которые выявляют периодичность элементов ПСП на входе приемника.
Недостатки, присущие самосинхронизирующимся скремблеру-дескремблеру, практически отсутствуют при аддитивном скремблировании (рис. 8.7).

Рис. 8.7 Схема скремблирования с начальной установкой

Однако при этом требуется предварительная идентичная установка состояний регистров скремблера и дескремблера. В скремблере с начальной установкой, как и в самосинхронизирующем скремблере, производится суммирование входного сигнала и ПСП, но результирующий сигнал не поступает на вход регистра. В дескремблере скремблированная последовательность также не проходит через регистр сдвига, поэтому размножения ошибок не происходит. Суммируемые в скремблере последовательности независимы, поэтому критических ситуаций не наступает. Отсутствие эффекта размножения ошибок и необходимость специальной защиты от нежелательных ситуаций делают способ аддитивного скремблирования предпочтительнее и экономически эффективнее, если не учитывать затрат на решение задачи взаимной синхронизации пары скремблер-дескремблер.
Рассмотрим влияние скремблирования на энергетический спектр двоичного сигнала (рис.8.8).

Рис. 8.8 Спектр сигнала:

а) до скремблирования; б) после скремблирования

На эпюре а рис.8.8 изображен пример энергетического спектра для периодического сигнала с периодом Т, содержащим 6 двоичных элементов с длительностью Т₀. После скремблирования ПСП с М=2ⁿ-1 элементами спектр существенно «обогащается» (рис.8.8 б). При этом число составляющих спектра увеличилось в М раз, причем, уровень каждой составляющей уменьшается в такое же число раз.