Файл: Введение в радиооптику.pdf

Введение в радиооптику

Биполярный код NRZ

Биполярный код NRZ (рис. 8.2, б) по сравнению с униполярным обладает лучшими энергетическими характеристиками. Единица представлена положительным уровнем напряжения, нуль - отрицательным. Нагрузочный резистор R в данном случае постоянно рассеивает тепло, так как на нем независимо от передаваемого кода присутствует напряжение А/2 той или иной полярности. Средняя мощность, выделяемая на нагрузочном резисторе, равна (А/2)2/R = А2/4R, т.е. половине средней мощности униполярного сигнала, хотя перепад уровней тот же самый.

Так что первый из отмеченных ранее недостатков униполярного сигнала NRZ в какой-то мере удалось устранить. Остальные три недостатка сохраняются. Для их ликвидации необходимо введение избыточности одним из двух способов:

–скорость передачи сигналов по линии выбирается большей, чем скорость передачи информации, без использования дополнительных электрических уровней сигналов;

–скорость передачи сигналов по линии выбирается равной скорости передачи информации, но вводятся дополнительные электрические уровни сигналов.

Код “Манчестер-II”

Примером кода с избыточностью, введенной согласно только что упомянутому первому способу, является код “Манчестер-II”. Форма биполярного сигнала при передаче кода “Манчестер-II” показана на рис. 8.2 (в). Единица кодируется отрицательным перепадом сигнала в середине битового интервала, нуль - положительным перепадом. На границах битовых интервалов сигнал, если это необходимо, изменяет значение, готовясь к отображению очередного бита в середине следующего битового интервала.

С помощью кода “Манчестер-II” решаются сразу все отмеченные ранее проблемы. Поскольку число положительных и отрицательных импульсов на любом достаточно большом отрезке времени равно (отличается не более чем на один импульс, что не имеет значения), постоянная составляющая равна нулю.

Подстройка часов приемника или ретранслятора производится при передаче каждого бита, т.е. снимается проблема потери синхронизации при передаче длинных цепочек нулей или единиц.

Спектр сигнала содержит только две логические составляющие: F и 2F, где F − скорость передачи информационных битов. Наличие лишь двух (а не трех или более) энергетических уровней сигнала позволяет надежно их распознавать (хорошая помехозащищенность).

217

Г.Г. Червяков, В.В. Роздобудько

Критерием ошибки может являться "замораживание" сигнала на одном уровне на время, превышающее время передачи одного информационного бита, поскольку независимо от передаваемого кода сигнал всегда "колеблется" и никогда не "замирает". Но за эти чрезвычайно полезные качества приходится платить удвоением требуемой частотной полосы связной аппаратуры. Поэтому код “Манчестер-II” широко используется там, где частотные ограничения не являются определяющими.

Код AMI

Второй способ введения избыточности связан с добавлением дополнительных энергетических уровней, в простейшем случае - третьего, “нулевого”, уровня.

На рис. 8.2 (г) представлена форма сигнала с попеременной инверсией знака, так называемого AMI сигнала (Alternative Mark Inversion).

Нули кодируются отсутствием импульсов, а единицы – попеременно положительными и отрицательными импульсами. Постоянная составляющая сигнала AMI равна нулю. Поэтому при передаче длинной последовательности единиц синхронизация не теряется. Обнаруживаются ошибки, нарушающие правильную последовательность знакочередующихся сигналов. Синхронизация нарушается при передаче длинной последовательности нулей, как и в коде NRZ.

Коды BNZS, HDB3

Потеря синхронизации при передаче длинной последовательности нулей предотвращается так: цепочки нулей передатчик заменяет определенными ”заготовками”, которые представляют собой ”отрезки” стандартных временных диаграмм. Коды AMI, в которых цепочка из N нулей заменяется определенной подстановкой, называются BNZS-кодами

(Bipolar with N Zeroes Substitution).

Вкоде BЗZS (рис. 8.2, д) каждые три последовательных нуля подменяются либо комбинацией В0V, либо 00V. Символ В обозначает импульс, который отвечает правилам кодирования AMI, символ Ч- импульс, который нарушает правила кодирования АМI (совпадает по полярности с предыдущим).

Выбор одной из этих двух ”заготовок” проводится так, чтобы, вопервых, число импульсов В между двумя последовательно расположенными импульсами V было нечетным, и, во-вторых, чтобы полярность импульсов V чередовалась.

Вкоде B6ZS (рис. 8.2, е) каждые шесть последовательных нулей подменяются комбинацией 0VB0VB.

Коды BNZS получили широкое распространение в компьютер-

ных сетях США и Канады: линии Т1 − 1,544 Мбит/с, T1C − 3,152 Мбит/с, LD-4 − 274,176 Мбит/с, Т4 − 274,176 Мбит/с. В странах Западной Европы

218

Введение в радиооптику

широко используется код HDB3 для работы на скоростях 2,048 и 8,448 Мбит/с. Этот код очень похож на BNZS, поскольку максимально допустимое число нулей, стоящих в цепочке, равно трем.

Каждые четыре последовательных нуля подменяются комбинацией 000V либо В00V. Выбор той или иной комбинации проводится так, чтобы, во-первых, число импульсов В между двумя последовательными импульсами V было нечетным, и, во-вторых, чтобы полярность импульсов V чередовалась (рис. 8.2, ж).

Существуют также другие распространенные коды, такие как СМI, PST, 4BЗT и т.п. Все они являются разновидностями кодов AMI и созданы с целью минимизации требований к полосе пропускания каналов связи и увеличения обнаруживающей способности по отношению к ошибкам при передаче информации.

Трехуровневое кодирование сигнала

Как следует из ранее сказанного, для надежного восстановления синхросетки приемником желательно так закодировать данные, чтобы сигнал изменялся как можно чаще, в идеальном случае – в каждом битовом интервале. Эта цель, как было показано, достигается при использовании кода “Манчестер-II” (и подобных ему) ценой расширения спектра сигнала. Напомним, что при передаче длинных цепочек из «0» или «1» код “Манчестер-II” выглядит как периодический сигнал частотой 2F, где F − скорость передачи данных. Это ограничивает область применения кода, кроме того, его дешифрация сравнительно сложна.

В системе передачи данных применено трехуровневое кодирование сигнала. Как обычно, между двумя проводами линии может присутствовать отрицательное, нулевое или положительное напряжение или U = =−1, U = 0, U=+1. Однако данное решение интересно тем, что созданы “гарантии” изменения уровня сигнала при переходе от одного битового интервала к другому независимо от вида передаваемой последовательности битов, что подтверждается временной диаграммой сигнала в линии рис. 8.3.

DATA 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 1

U = + 1 U = 0

U = - 1

Рисунок 8.3 − Временная диаграмма сигнала в линии

В этой диаграмме встречаются все сочетания соседних битов (00, 01, 10, 11) и их однородные цепочки (1111 и 000). Тем не менее, сигнал

219

Г.Г. Червяков, В.В. Роздобудько

всегда изменяется при переходе от одного битового интервала к другому. На первый взгляд, неясно, каким образом достигнут столь примечательный результат. Но вскоре мы убедимся, что правила кодирования и декодирования очень просты.

Как следует из рис. 8.4 (система передачи данных), передатчик содержит двухразрядный регистр RG1, логическую схему L1 и формирователь S трехуровневого cигнала. Приемник содержит преобразователь R трехуровневого сигнала в двухуровневые (логический 0 и логическая 1), двухразрядный регистр RG2 и логическую схему L2.

Рисунок 8.4 − Система передачи данных

В начале очередного битового интервала по фронту синхросигнала CLK в регистре RG1 фиксируется двухразрядный код, сформированный логической схемой Ll в предыдущем битовом интервале. С некоторой задержкой, достаточной для надежной фиксации кода в регистре RG1, на вход передатчика подается очередной бит DАТА. В дальнейшем на протяжении битового интервала на входах логической схемы L1 присутствует результат обработки предыдущего бита (код, отображающий предыдущее состояние передатчика) и очередной бит данных. Логическая схема L1 на основе анализа входной комбинации сигналов формирует двухразрядный код, который определяет новое состояние передатчика. В зависимости от сочетания сигналов на выходе логической схемы L1 формирователь S трехуровневого сигнала выдает в линии нулевое, положительное или отрицательное напряжение.

Переходы передатчика между тремя возможными состояниями можно проследить по диаграмме, приведенной на рис. 8.5 (а).

Передатчик может находиться в трех состояниях, выделенных кружками. Эти состояния обозначены в соответствии с принятыми ранее сокращениями (см. рис. 8.3).

Стрелками обозначены переходы из одного состояния в другое. Цифра 0 или 1 около стрелки соответствует значению очередного бита DATA. Из рисунка следует, что при передаче цепочки битов 111...1 тра-

220

Введение в радиооптику

ектория переходов по диаграмме соответствует движению по часовой стрелке, а при передаче цепочки 000...0 - движению в обратном направлении. Передача случайных данных сопровождается «блужданием» между тремя состояниями. Существенно, что не бывает ситуаций, при которых одно и то же состояние повторяется в соседних тактах.

Рисунок 8.5 − Диаграмма переходов передатчика между тремя возможными состояниями

Преобразователь R трехуровневого сигнала в двухуровневые (см. рис. 8.5) формирует двухразрядный код текущего состояния сигнала в пинии и выделяет синхросигнал на основе регистрации фронтов импульсов. В начале очередного битового интервала в регистре RG2 фиксируется предыдущее состояние линии, так что логическая схема L2 оперирует предыдущим и текущим состояниями трехуровневого сигнала. В зависимости от их комбинации можно сделать однозначный вывод о том, какой бит (логический 0 или логическая 1) поступил на вход приемника.

Декодирование сигналов в приемнике поясняется аналогичной диаграммой но с несколько иной интерпретацией событий (рис. 5.16, б). Предположим, что ранее принятое и текущее состояния трехуровневого сигнала соответствуют показанным на рисунке. Непосредственный переход между этими состояниями возможен только по одному пути, который соответствует приему единичного бита. Поэтому на выходе логической схемы L2 формируется сигнал DАТА′ = 1.

Особенность этой схемы кодирования - декодирования состоит в том, что при передаче цепочки битов вида 010101... в зависимости от предыстории может случиться так, что все импульсы будут иметь одинаковую полярность. Это означает, что в сигнале появится постоянная составляющая, что для многих систем недопустимо. Чтобы избежать этого, можно применить скремблирование данных на входе передатчика и их дескремблирование на выходе приемника.

221