Файл: Методы кодирования данных (Кодирование информации. История, понятие и виды).pdf

1.3. Коды цифровой техники (ЭВМ).

1.4. Специальные (морской, коммерческий, дипломатический, военный) коды.

2. В зависимости от цели, достигаемой кодированием, различают:

2.1. Первичные коды представления данных, или первичные коды. Они используются для отображения данных, получаемых либо при исходном кодировании дискретных величин, либо при преобразовании непрерывной величины в дискретную.

2.2. Оптимальные (эффективные) коды. Это коды, в которых принятый критерий оптимальности имеет экстремальное значение. Наиболее распространёнными являются коды с минимальным числом разрядов, приходящихся на одно сообщение. Передача таких кодов в последовательной форме, например, по линии связи, производится за минимальное время. При такой передаче недопустимы искажения, так как любое искажение приводит к необнаруживаемой ошибке воспроизведения исходной информации, поэтому такие коды в телемеханике не используются.

2.3. Помехозащищённые (корректирующие) коды. Это коды, которые способны либо обнаружить, либо обнаружить и исправить искажение, возникшее, например, при передаче. Благодаря этому свойству корректирующие коды широко применяются в телемеханике и в технике передачи данных [6].

3. По закономерностям кодообразования:

3.1. Числовые (взвешенные) коды, называемые еще цифровыми, имеют кодовые комбинации, образующие ряд возрастающих по весу чисел, определяемый системой счисления. Они применяются для кодирования количественной информации (например, при телеизмерении)

3.2. Нечисловые (не взвешенные) коды не имеют систем счисления и не образуют ряда возрастающих по весу кодовых комбинаций. Нечисловые коды применяются при передаче качественной информации (например, команды телеуправления). Они разделяются на следующие виды:

3.2.1. Комбинаторные, построенные по законам теории соединений.

3.2.2. Защищённые, имеющие специальные закономерности построения [9].

Для представления кодов применяются следующие основные способы:

Таблица комбинаций.

Кодовое дерево.

Геометрическая модель.

1. Таблица кодовых комбинаций представляет собой таблицу, в которой записаны все комбинации кода вместе с соответствующими числами. Например, таблица комбинаций трёхразрядного двоичного нормального (натурального) кода имеет следующий вид (табл. 1 [15]).

---

Таблица 1

Комбинации трёхразрядного двоичного натурального кода

Десятичное число	Двоичный натуральный код
0	0	0	0	0	0
1	0	0	0	0	1
2	0	0	0	1	0
3	0	0	0	1	1
4	0	0	1	0	0
5	0	0	1	0	1
6	0	0	1	1	0
7	0	0	1	1	1

2. Кодовое дерево представляет собой графическое отображение множества кодовых комбинаций (рис. 10).

3. Геометрическая модель является другим способом графического представления кодов. Любой n–мерный двоичный код представляется n–мерным кубом, в котором каждая вершина отображает кодовую комбинацию, а длина ребра куба соответствует одной единице. В таком кубе расстояние между вершинами (кодовыми комбинациями) измеряются минимальным количеством ребер между ними (рис. 11) [15].

Рисунок 10 – Кодовое дерево трёхразрядного двоичного натурального кода

Рисунок 11 – Геометрическая модель трёхразрядного двоичного натурального кода

Методы кодирования данных

NRZ – Non Return to Zero (без возврата к нулю) и NRZ I – Non Return to Zero Invertive (инверсное кодирование без возврата к нулю)

Код NRZ (Non Return to Zero – без возврата к нулю) – это простейший код, представляющий собой обычный цифровой сигнал. Логическому нулю соответствует высокий уровень напряжения в кабеле, логической единице – низкий уровень напряжения (или наоборот, что не принципиально). Уровни могут быть разной полярности или же одной полярности. В течение битового интервала, то есть времени передачи одного бита никаких изменений уровня сигнала в кабеле не происходит.

К несомненным достоинствам кода NRZ относятся его довольно простая реализация (исходный сигнал не надо ни специально кодировать на передающем конце, ни декодировать на приемном конце), а также минимальная среди других кодов пропускная способность линии связи, требуемая при данной скорости передачи. Ведь наиболее частое изменение сигнала в сети будет при непрерывном чередовании единиц и нулей, то есть при последовательности 1010101010..., поэтому при скорости передачи, равной 10 Мбит/с (длительность одного бита равна 100 нс) частота изменения сигнала и соответственно требуемая пропускная способность линии составит 1 / 200нс = 5 МГц (рис. 12).

---

Рисунок 12 – Скорость передачи и требуемая пропускная способность при коде NRZ

Рисунок 13 – Передача в коде NRZ с синхросигналом

Самый большой недостаток кода NRZ – это возможность потери синхронизации приемником во время приема слишком длинных блоков (пакетов) информации. Приемник может привязывать момент начала приема только к первому (стартовому) биту пакета, а в течение приема пакета он вынужден пользоваться только внутренним тактовым генератором (внутренними часами). Например, если передается последовательность нулей или последовательность единиц, то приемник может определить, где проходят границы битовых интервалов, только по внутренним часам. И если часы приемника расходятся с часами передатчика, то временной сдвиг к концу приема пакета может превысить длительность одного или даже нескольких бит. В результате произойдет потеря переданных данных. Так, при длине пакета в 10000 бит допустимое расхождение часов составит не более 0,01% даже при идеальной передаче формы сигнала по кабелю.

Во избежание потери синхронизации, можно было бы ввести вторую линию связи для синхросигнала (Рис. 13). Но при этом требуемое количество кабеля, число приемников и передатчиков увеличивается в два раза. При большой длине сети и значительном количестве абонентов это невыгодно.

В связи с этим код NRZ используется только для передачи короткими пакетами (обычно до 1 Кбита) [17].

Значительный недостаток кода NRZ состоит еще и в том, что он может обеспечить обмен сообщениями (последовательностями, пакетами) только фиксированной, заранее обговоренной длины. Дело в том, что по принимаемой информации приемник не может определить, идет ли еще передача или уже закончилась. Для синхронизации начала приема пакета используется стартовый служебный бит, чей уровень отличается от пассивного состояния линии связи (например, пассивное состояние линии при отсутствии передачи – 0, стартовый бит – 1). Заканчивается прием после отсчета приемником заданного количества бит последовательности (Рисунок 14).

Рисунок 14 – Определение окончания последовательности при коде NRZ

Код NRZI (без возврата к нулю с инверсией единиц) предполагает, что уровень сигнала меняется на противоположный в начале единичного битового интервала и не меняется при передаче нулевого битового интервала. При последовательности единиц на границах битовых интервалов имеются переходы, при последовательности нулей – переходов нет. В этом смысле код NRZI лучше синхронизируется, чем NRZ (там нет переходов ни при последовательности нулей, ни при последовательности единиц) [4].

---

Этот метод кодирования использует следующие представления битов цифрового потока: * биты 0 представляются нулевым напряжением (0 В); * биты 1 представляются напряжением 0 или +V в зависимости от предшествовавшего этому биту напряжения. Если предыдущее напряжение было равно 0, единица будет представлена значением +V, а в случаях, когда предыдущий уровень составлял +V для представления единицы, будет использовано напряжение 0 В. Этот алгоритм обеспечивает малую полосу (как при методе NRZ) в сочетании с частыми изменениями напряжения (как в RZ), а кроме того, обеспечивает неполярный сигнал (т. е. проводники в линии можно поменять местами) [17]

RZ – Return to Zero (возврат к нулю)

Код RZ (Return to Zero – с возвратом к нулю) – этот трехуровневый код получил такое название потому, что после значащего уровня сигнала в первой половине битового интервала следует возврат к некоему «нулевому», среднему уровню (например, к нулевому потенциалу). Переход к нему происходит в середине каждого битового интервала. Логическому нулю, таким образом, соответствует положительный импульс, логической единице – отрицательный (или наоборот) в первой половине битового интервала.

В центре битового интервала всегда есть переход сигнала (положительный или отрицательный), следовательно, из этого кода приемник легко может выделить синхроимпульс (строб). Возможна временная привязка не только к началу пакета, как в случае кода NRZ, но и к каждому отдельному биту, поэтому потери синхронизации не произойдет при любой длине пакета.

Еще одно важное достоинство кода RZ – простая временная привязка приема, как к началу последовательности, так и к ее концу. Приемник просто должен анализировать, есть изменение уровня сигнала в течение битового интервала или нет. Первый битовый интервал без изменения уровня сигнала соответствует окончанию принимаемой последовательности бит (рисунок 15). Поэтому в коде RZ можно использовать передачу последовательностями переменной длины [12].

Рисунок 15 – Определение начала и конца приема при коде RZ

Недостаток кода RZ состоит в том, что для него требуется вдвое большая полоса пропускания канала при той же скорости передачи по сравнению с NRZ (так как здесь на один битовый интервал приходится два изменения уровня сигнала). Например, для скорости передачи информации 10 Мбит/с требуется пропускная способность линии связи 10 МГц, а не 5 МГц, как при коде NRZ (рис. 16).

---

Рисунок 16 – Скорость передачи и пропускная способность при коде RZ

Другой важный недостаток – наличие трех уровней, что всегда усложняет аппаратуру как передатчика, так и приемника.

Код RZ применяется не только в сетях на основе электрического кабеля, но и в оптоволоконных сетях. Правда, в них не существует положительных и отрицательных уровней сигнала, поэтому используется три следующие уровня: отсутствие света, «средний» свет, «сильный» свет. Это очень удобно: даже когда нет передачи информации, свет все равно присутствует, что позволяет легко определить целостность оптоволоконной линии связи без дополнительных мер (рисунок 17) [5].

Рисунок 17 – Использование кода RZ в оптоволоконных сетях

AMI – Alternate Mark Inversion (поочередная инверсия единиц)

AMI код (от англ. Alternate Mark Inversion, иногда в литературе встречается название «биполярный AMI код») – один из способов линейного кодирования (физического кодирования, канального кодирования, цифровое кодирование, манипуляция сигнала, импульсно–кодовая модуляция). Является трехуровневым кодом, при поступлении на вход кодера логической единицы осуществляется смена потенциала либо на верхний, либо на нижний уровень, в зависимости от предыдущего уровня, на котором передавалась логическая единица. В процессе синхронизации, физическая привязка к синхронной последовательности на приемной стороне осуществляется при передаче смены логической единицы и логического нуля, либо за счет скремблирования.

Рисунок 18 – Линейное кодирование

Преимущества:

• Самосинхронизирующийся код (слабая синхронизация в сравнении с манчестерским кодированием, поскольку синхронизация не производится при передаче логических нулей)
• Спектр сигнала уже, чем у NRZ
• Сравнительно простая в реализации

Недостатки:

• Мощность передатчика должна быть выше в сравнение с двухуровневым кодированием
• Сложность построения аппаратуры в сравнение с двухуровневым кодированием

Этот метод кодирования использует следующие представления битов: * биты 0 представляются нулевым напряжением (0 В); * биты 1' представляются поочередно значениями +V и –V. Этот метод подобен алгоритму RZ, но обеспечивает в линии нулевой уровень постоянного напряжения. Недостатком метода AMI является ограничение на плотность нулей в потоке данных, поскольку длинные последовательности 0 ведут к потере синхронизации [11]

---