Файл: Методы кодирования данных (Физическое кодирование данных).pdf

Введение

В настоящее время по каналам связи передаются данные со столь высокими требованиями к достоверности передаваемой информации, что удовлетворить эти требования традиционным методами - совершенствованием антенно-фидерных устройств, увеличением излучаемой мощности, снижением собственного шума приемника - оказывается экономически невыгодным или просто невозможным.

Хотя существующие на данный момент системы передачи данных отвечают всем основным стандартам и требованиям, они все же не являются совершенными. Причины тому влияние помех в канале связи. При передаче сообщений по каналам связи могут возникать помехи, способные привести к искажению принимаемых знаков.

Одним из средств решения подобных несоответствий в системах передачи цифровой информации, является применение помехоустойчивых кодов, лежащих в основе устройств кодирования/декодирования. Высокоэффективным средством решения данной проблемы является применение помехоустойчивого кодирования, основанного на введении искусственной избыточности в передаваемое сообщение. Помехоустойчивое кодирование передаваемой информации позволяет в приемной части системы обнаруживать и исправлять ошибки.

Работа подавляющего числа современных систем связи основана на передаче сообщений в цифровом виде. Сбой при приеме любого элемента цифровых данных способен вызвать значительное искажение всего сообщения в целом, что, в свою очередь, может привести к полной потере информации, содержащейся в нем. В данной работе будут рассмотрены основные методы кодирования, а также практическое применение наиболее распространённых кодов.

Объект: Методы кодирования данных

Предмет: Теория кодирования данных

Цель исследования: Выявить актуальность развития теории кодирования данных.

Задачи:

1) Рассмотреть методы физического кодирования данных.

2) Рассмотреть основные методы помехоустойчивого кодирования.

3) Рассмотреть практическую реализацию помехоустойчивого кодирования в современных сетях передачи данных.

1. Физическое кодирование данных.

2.1 Физическое и логическое кодирование данных

Каждый вид компьютеров имеет индивидуальный вид кодирования для представления данных – текстовой и символьной информации. Наиболее часто используются коды ASCII (American Standard Code for Information Interchange, американский стандартный код для обмена информацией) и EBCDIC (Extended Binary Coded Decimal Interchange Code, расширенный двоично-десятичный код обмена информацией).

ASCII представляет собой 8-битную кодировку для представления десятичных цифр, латинского и национального алфавитов, знаков препинания и управляющих символов. Первую половину кодовой таблицы (0 — 127) занимают символы US-ASCII, которые включают 95 печатаемых и 33 управляющих символа (разработана ANSI – Американским институтом национальных стандартов). Вторая половина таблицы (128 — 255) содержит национальные шрифты (кириллица) и символы псевдографики. Этот код используется в персональных компьютерах и в несовместимых с IBM больших машинах. В мейнфреймах используется 8-битовый код EBCDIC, разработанный компанией IBM. При передаче данных от одного компьютера к другому может потребоваться перекодировка символов, которая осуществляется системным МО передающего или принимающего компьютеров. Эти действия являются функциями уровня представления модели OSI. Рассмотрим наиболее часто применяемые методы кодирования на физическом уровне.

Большинство компьютеров для представления «0» и «1» оперирует стандартными уровнями бинарных сигналов (логическими уровнями), которые определяются видом микросхем. TTL-логика представляет 0,5В как «0», и 5В как «1». ECL и CMOS-логики представляют -1,75В как «0», и -0,9В как «1». Для передачи данных, например, в оптоволоконных системах, в трансивере устанавливается специальный чип, обрабатывающий любую логику и выдающий управляющий сигнал источнику света с конвертацией 0,5В и 5В TTL в 0 мA и 50 мА соответственно (on, off).

В большинстве компьютерных сетей цифровые данные передаются при помощи цифрового сигнала, то есть последовательностью импульсов. Для передачи данных может использоваться более двух уровней сигнала, при этом единичный импульс сигнала может представлять не один бит, а группу бит. Возможна обратная ситуация, когда для передачи одного бита может использоваться два импульса.[6,9,13,2]

При цифровой передаче используют потенциальные и импульсные коды. В потенциальных кодах для представления логических единиц и нулей используется только значение сигнала в течение битового интервала, а фронты сигнала, формирующие законченные импульсы, во внимание не принимаются. Импульсные коды представляют логический ноль и логическую единицу перепадом потенциала определенного направления. В значение импульсного кода включается весь импульс вместе с его фронтами.

Сигнал в виде импульсной последовательности имеет бесконечный спектр. Основная энергия сигнала сосредоточена в диапазоне частот от нуля до частоты f=1/t_о(первый лепесток энергетического спектра сигнала), где t_о – бодовый интервал, то есть длительность единичного импульса линейного сигнала.

Теоретически в соответствии с пределом Найквиста максимально допустимая скорость изменения значений дискретного сигнала (B=1/t_о, скорость передачи в Бодах) при передаче последовательности прямоугольных импульсов по каналу связи, эквивалентом которого является идеальный ФНЧ с прямоугольной АЧХ и линейной ФЧХ и с частотой среза f_гр, равна B_max=2f_гр. Указанное ограничение связано с наличием переходных процессов на выходе ФНЧ, при этом время нарастания/спада фронта сигнала определяется как

При максимально допустимой скорости передачи сигнала t_о=t_н. Если интервал t_о < t_н, происходит недопустимое искажение формы сигнала на выходе канала и, как следствие, ошибки при приеме. Таким образом, скорость передачи информации N (Бит/с) зависит от скорости передачи сигнала В (Бод) и выбранного метода кодирования сигнала на физическом уровне.[6]

Используемый метод физического цифрового кодирования должен достигать несколько целей:

1. Обеспечивать наименьшую ширину спектра сигнала при заданной скорости передачи информации N (Бит/с). Минимизировать величину постоянной составляющей в спектре линейного сигнала.
2. Обеспечивать приемнику возможность тактовой синхронизации (clocking). Так называемые самосинхронизирующиеся коды позволяют приемнику выделять из принимаемого цифрового потока колебание тактовой частоты и затем формировать из него тактовые импульсы при любой статистике битового потока на входе передатчика.
3. Обладать способностью распознавать ошибки
4. Обладать низкой стоимостью реализации.

Рассмотрим методы физического цифрового кодирования сигналов.

2.2 Потенциальный код без возвращения к нулю NRZ (Non Return to Zero)

Сигнал в линии имеет два уровня: нулю соответствует нижний уровень, единице - верхний. Переходы происходят на границе битового интервала. При передаче последовательности единиц сигнал не возвращается к нулю в течение битового интервала.

Рассмотрим частные случаи передачи данных кодом NRZ (рис. 1.1): чередующаяся последовательность нулей и единиц, последовательность нулей и последовательность единиц. Определим частоту основной гармоники спектра сигнала в каждом из этих случаев.

Рис. 1.1. Кодирование по методу NRZ

При чередовании единиц и нулей и скорости передачи N (Бит/с) период основной гармоники в спектре сигнала равен T=2t₀=2/N (с). Частота основной гармоники f₀равна f_о=N/2 (Гц).

При передаче только единиц, или только нулей сигнал в линии представляет собой постоянный ток.

Спектр реального сигнала постоянно меняется в зависимости от того, какова структура данных, передаваемых по линии связи. При передаче длинных последовательностей нулей или единиц, спектр сигнала сдвигается в сторону низких частот. Линейный сигнал NRZ обычно содержит постоянную составляющую и не всегда обеспечивает приемнику возможность синхронизироваться с поступающим сигналом. С другой стороны код NRZ прост в реализации, обладает хорошей помехоустойчивостью (из-за двух резко отличающихся уровней сигнала). Основная энергия сигнала в коде NRZ сосредоточена на частотах от 0 до N/2 (Гц).

В чистом виде код NRZ в сетях не используется. Тем не менее, используются его различные модификации, в которых с успехом устраняют как плохую самосинхронизацию, так и наличие постоянной составляющей.

Потенциальный код с инверсией при единице NRZI (Non Return to Zero with ones Inverted, NRZI)

При этом методе кодирования передаче нуля соответствует уровень сигнала, который был установлен в предыдущем битовом интервале (уровень сигнала не меняется), а при передаче единицы – уровень изменяется на противоположный.

Код используется при передаче по оптоволоконным кабелям, где приемник устойчиво распознает два состояния сигнала - свет и темнота.

Рис.1.2. Кодирование по методу NRZI

Определим частоты основных гармоник линейного сигнала для частных случаев битовых последовательностей.

Для последовательности чередующихся единиц и нулей период сигнала равен T=4t₀ (с), основная частота сигнала f_о=N/4 (Гц), при последовательности единиц – f_о=N/2 (Гц), при передаче последовательности нулей f_о=0 - постоянный ток в линии (или отсутствие света).

Код NRZI использует только два уровня сигнала и поэтому обладает хорошей помехоустойчивостью. Максимальную энергию имеют спектральные составляющие сигнала около частоты N/4 (Гц). Следует отметить, что код NRZI стал основным при разработке улучшенных методов кодирования для систем передачи данных.[13]

2.3 Метод биполярного кодирования с альтернативной инверсией (Bipolar Alternate Mark Inversion, AMI, квазитроичный код)

В этом методе используются три значения сигнала –«-1», «0» и «+1». Для различения трех уровней необходимо лучшее соотношение сигнал/шум на входе приемника. Дополнительный уровень требует увеличение мощности передатчика примерно на 3 дБ для обеспечения той же достоверности приема бит на линии. Это общий недостаток кодов с несколькими состояниями сигнала по сравнению с двухуровневыми кодами.

Для кодирования логического нуля используется нулевой потенциал, логическая единица кодируется попеременно либо положительным потенциалом, либо отрицательным.

Рис.1.3. Квазитроичное кодирование (AMI)

При передаче любой битовой последовательности сигнал в линии не содержит постоянную составляющую. При передаче единиц основная гармоника сигнала находится на частоте f_o=N/2 (Гц). В случае чередующегося набора единиц и нулей основная гармоника находится на частоте f_o=N/4 (Гц), что в два раза меньше чем у кода NRZ. Но остается проблема синхронизации при передаче последовательности нулей.

В целом, для различных комбинаций бит использование кода AMI приводит к более узкому спектру сигнала, чем для кода NRZ. Код AMI предоставляет также некоторые возможности по распознаванию ошибочных сигналов. Так, нарушение строгого чередования полярности сигналов говорит о ложном импульсе или исчезновении корректного импульса.[9]

2.4 Манчестерский код (Manchester)

Манчестерский код относится к самосинхронизирующимся кодам и имеет два уровня, что обеспечивает хорошую помехозащищенность. Каждый битовый интервал делится на две части. Информация кодируется перепадом уровня, происходящим в середине каждого интервала.

Единица кодируется перепадом от высокого уровня сигнала к низкому, а ноль - обратным перепадом. В начале каждого битового интервала может происходить служебный перепад сигнала (при передаче несколько единиц или нулей подряд).