Цифровое кодирование. 
Информационные сети

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 перепады, которые формируют законченные импульсы во внимание не принимаются. Импульсные коды позволяют представлять двоичные данные либо импульсами определенной полярности, либо частью импульса обычно перепадом потенциала определенного направления.

ТРЕБОВАНИЯ К МЕТОДАМ ЦИФРОВОГО КОДИРОВАНИЯ

При использовании прямоугольных импульсов для передачи дискретной информации желательно выбирать такой метод кодирования, который удовлетворял бы следующие требования:

• 1. При одной и той же битовой скорости имел бы наименьшую величину спектра сигнала.
• 2. Обеспечивал бы синхронизацию между приемником и передатчиком.
• 3. Обладал бы способностью обнаруживать ошибки.
• 4. Обладал бы низкой стоимостью реализации.

Более узкий спектр позволяет на одной и той же линии (с одной и той же полосой пропускания) добиваться более высоких скоростей передачи. Часто к спектру предъявляются требования отсутствия постоянной составляющей, т.к. 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. На небольших расстояниях хорошо работает схема, основанная на отдельной тактирующей линии связи (рис. 2.3).

Рис. 2.3 Синхронизация приемника и передатчика на небольших расстояниях.

В сетях использование схемы рис. 2.3 вызывает определенные трудности из-за неоднородности характеристик проводников в кабелях. На больших расстояниях неравномерность скорости распространения сигнала может привести к тому, что тактовые и информационные импульсы будут приходить в разное время. Другой причиной отказа тактирующей линии в сетях является экономия проводников в дорогостоящих кабелях. Поэтому в сетях применяются так называемые самосинхронизирующиеся коды, сигналы которых помимо информации несут для передатчика указания в какой момент времени необходимо осуществить распознавание очередного бита. Любой резкий перепад сигнала так называемый фронт — может служить указанием для синхронизации приемника с передатчиком.

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

Распознавание и коррекцию ошибок на физическом уровне осуществить достаточно сложно. Поэтому это задача решается с помощью протоколов канального, сетевого, транспортного или прикладного уровня. С другой стороны, распознавание ошибок на физическом уровне экономит время, т.к. позволяет отбраковывать информацию сразу при распознавании ошибочных битов внутри кадра.

ПОТЕНЦИАЛЬНЫЙ КОД БЕЗ ВОЗВРАЩЕНИЯ К НУЛЮ

Этот метод кодирования, называемый кодированием без возвращения к нулю — NRZ (Non Return to Zero) изображен на рис. 2.4.

Рис. 2.4 Потенциальный код NRZ.

При передаче последовательности единиц этот код не возвращается к нулю в течение такта. Метод NRZ прост в реализации, обладает достаточно хорошей распознаваемостью ошибок (из-за двух резко отличающихся потенциалов), но не обладает свойством самосинхронизации. Поэтому при больших скоростях и длинных последовательностях единиц и нулей небольшое рассогласование тактовых частот может привести к ошибкам в целый такт.

Код NRZ имеет низкочастотную составляющую, которая приближается к нулю при передаче длинных последовательностей единиц и нулей. Поэтому ка-налы связи, не обеспечивающие прямого гальванического соединения между приемником и передатчиком, использовать этот код не могут. Одним из досто-инств этого кода является достаточно низкая частота основной гармоники fo = N/2 Гц, где N — битовая скорость передачи.

МЕТОД БИПОЛЯРНОГО КОДИРОВАНИЯ С АЛЬТЕРНАТИВНОЙ ИНВЕРСИЕЙ

Одной из модификаций кода NRZ является метод биполярного кодирования с альтернативной инверсией или биполярный код AMI (Bipolar Alternate Mark Inversion) (рис. 2.5). В этом методе используются три уровня потенциала: отрицательный, ну-левой и положительный. Для кодирования логического нуля используется ну-левой потенциал, логическая единица кодируется либо положительным потенциалом, либо отрицательным. При этом потенциал каждой новой единицы противоположен потенциалу предыдущей.

Рис. 2.5 Биполярный импульсный код AMI.

Код AMI частично ликвидирует проблемы постоянной составляющей и отсутствие самосинхронизации, присущие коду NRZ. Это происходит при пере-даче длинных последовательностей единиц. При длинных последовательностях нулей сигнал вырождается в постоянный потенциал нулевой амплитуды и самосинхронизация пропадает. Так как в коде AMI используются не два, а три уровня сигнала, то для обеспечения той же достоверности приема битов на линии необходимо увеличить мощность передатчика (примерно на 3 дБ).

Существует код, похожий на AMI, но только с двумя уровнями сигнала. При передаче нуля он передает потенциал, который был установлен в предыдущем такте. При передаче единицы сигнал инвертируется на противоположный. Этот код называется потенциальным кодом с инверсией при единице NRZI (Non Re-turn to Zero with ones Inverted). Он удобен в тех случаях, когда наличие третьего уровня сигнала нежелательно (например, в оптических кабелях). Для улучшения работы потенциальных кодов, подобных AMI и NRZI применяются два метода. Первый метод основан на добавлении в исходный код избыточных битов, содержащих логические единицы. Очевидно, что длинные последовательности нулей прерываются и код становится самосинхронизирующимся. Другой метод состоит в предварительном «перемешивании» исходной информации таким образом, чтобы вероятности появления нулей и единиц были низкими. Устройства, выполняющие эту операцию, называют скремблерами (scramble — свалка, беспорядочная куча). При скремблировании используется известный алгоритм. Поэтому приемник, получив данные, передает их на де скремблер, который восстанавливает исходную последовательность битов. Оба метода относятся к логическому, а не физическому кодированию, так как форму сигналов на линии они не меняют. Скремблирование используется в таких кодах как коды B8ZS и НДВЗ.

БИПОЛЯРНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ КОД

Биполярный импульсный код является наиболее простым импульсным кодом. В этом коде единица передается импульсом одной полярности, а ноль — другой (рис 2.6).

Рис. 2.6 Биполярный импульсный код.

Каждый импульс длится половину такта. Такой код обладает отличными само синхронизирующими свойствами. Но постоянная составляющая здесь может присутствовать (например, при передаче длинной последовательности единиц или нулей). Спектр у этого кода шире, чем у потенциальных кодов. Так, частота основной гармоники у него может быть равна N Гц (у кода AMI — N/4 Гц, а у кода NRZ — N/4 Гц, где N битовая скорость передачи данных).

МАЧЕСТЕРСКИЙ КОД

Манчестерский код до недавнего времени был самым распространенным методом кодирования в локальных сетях. Он применяется в технологиях Ethernet и Tokin Ring. В манчестерском коде (рис. 2.7) для кодирования единиц и нулей используется перепад потенциала, то есть фронт импульса. При манчестерском коде такт делится на две части. Информация кодируется перепадом потенциала, происходящим в середине каждого такта. Ноль кодируется перепадом от высокого уровня потенциала к низкому, единица кодируется обратным перепадом. В начале такта может происходить служебный перепад потенциала, если передается несколько единиц или нулей подряд Манчестерский код обладает рядом достоинств:

• 1. Обладает хорошими синхронизирующими свойствами.
• 2. У него нет постоянной составляющей.
• 3. Полоса пропускания манчестерского кода уже чем у биполярного импульсного (в худшем случае основная гармоника у него будет N Гц, где N — битовая скорость).

Рис. 2.7 Манчестерский код

ПОТЕНЦИАЛЬНЫЙ КОД 2В1Q

Название этого кода 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 — потенциал — 0,839 В, паре 11 — потенциал +0,833 В, паре 10 — потенциал + 2,5 В. При таком кодировании требуется принять меры по борьбе с длинными последовательностями одинаковых пар бит, так как при этом сигнал превращается в постоянную составляющую. С помощью кода 2B1Q по одной линии связи можно передавать данные в два раза быстрее, чем при использовании кодов AMI и NRZI. Но мощность передатчика должна быть выше.