Практические методы линейного кодирования потока данных в канале

Сформированная в результате мультиплексирования и выравнивания цифровая двоично-кодированная ИКМ последовательность подается в канал связи, на входе которого, как правило, используется устройство сопряжения с каналом, или интерфейсный блок, и собственно передатчик.

Учитывая, что канал, как среда передачи, может быть электрическим, оптическим или радиоканалом, полученную последовательность приходится еще, по крайней мере, дважды переко­дировать для оптимизации ее прохождения через интерфейс (интерфейсное кодирование) и ли­нию связи (линейное кодирование). Два других вида кодирования: помехоустойчивое кодирова­ние для обнаружения и исправления ошибок, возникающих в процессе передачи, а также шифро­вание данных, передаваемых такой последовательностью, здесь не рассматриваются.

Поток бит, полученный в результате квантования и двоичного кодирования (кодифика­ции), оптимален только с точки зрения уменьшения ошибок квантования, но непригоден для пе­редачи по каналу связи по ряду причин, основные из которых следующие:

• выходной цифровой поток имеет широкий спектр, что затрудняет его передачу по каналу связи с ограниченной полосой пропускания и осложняет процесс регенерации сигнала синхронизации, передаваемого в канале, особенно в случае восстановления потерянного синхронизма;

• спектр сигнала имеет значительную долю низкочастотных составляющих, которые могут интерферировать с составляющими передаваемого низкочастотного сигнала;

• спектр содержит большую постоянную составляющую, усложняющую фильтрацию напряжения сети питания.

Для оптимизации спектра сигнала, подаваемого в линию связи, используется так называе­мое линейное кодирование. Оно должно обеспечить:

• минимальную спектральную плотность на нулевой частоте и ее ограничение на нижних частотах;

• информацию о тактовой частоте передаваемого сигнала в виде дискретной составляющей, легко выделяемой на фоне непрерывной части спектра;

• достаточно узкополосный непрерывный спектр для передачи сигнала через канал связи без искажений;

• малую избыточность для повышения относительной скорости передачи в канале связи;

• минимально возможные длины блоков повторяющихся символов ("1" или "0") и диспаритетность (неравенство числа "1" и "0" в кодовых комбинациях).

Для двоичного кодирования число уровней входного сигнала m = 2, а число уровней вы­ходного сигнала n может быть 2 (двухуровневое кодирование) или 3 (трехуровневое кодирова­ние). Двухуровневое кодирование может быть однополярным (+1, 0) и двухполярным, или симметричным (+1, -1), а трехуровневое - однополярным (+2, +1, 0) и двухполярным (+1, 0, -1).

Например, оптические линии связи требуют однополярных методов кодирования, тогда как электрические линии связи могут использовать как однополярные, так и двухполярные мето­ды кодирования.

В различных методах кодирования "1" может быть представлена положительным прямо­угольным импульсом на полную или на половинную длину двоичного интервала, или переходом с "+1" на "0" или "-1" (ступенькой вниз) в центре интервала, а "0" - соответствующей длины отри­цательным импульсом, или отсутствием импульса, или обратным переходом с "-1" или "0" на "+1" (ступенькой вверх) в центре интервала.

Для ограничения длины блоков повторяющихся символов типа "11...11" или "00...00" ис­пользуется инверсия ("обращение" или незапланированное (преднамеренное) изменение) поляр­ности импульсов регулярной кодовой последовательности, обозначаемая ниже буквой "V". На­ряду с инверсией иногда используются вставки (дополнительные символы определенной поляр­ности, обозначаемые ниже буквой В), позволяющие сохранить паритет кодовой комбинации.

Алгоритмы кодирования в большинстве случаев просты и могут быть описаны словесно, однако исчерпывающее описание дается направленным графом состояний, описывающим множе­ство всех возможных состояний и переходов из одного в другое.

На рис. приведены некоторые линейные коды и использованы такие обозначения:

а) - исходная двоичная последовательность;

б) - однополярный код без возвращения к нулю - NRZ;

в) - двухполярный NRZ или симметричный телеграфный код;

г) - двухполярный код с возвращением к нулю - RZ;

д) - код с поразрядно-чередующейся инверсией - ADI;

е) - код с чередующейся инверсией на "1" - AMI;

ж) - код с инверсией кодовых комбинаций - CMI;

з) - двухполярный двухуровневый код Миллера;

и) - биполярный код высокой плотности порядка 3 - HDB3;

к) - однополярный эквивалент кода HDB3 в оптической линии связи.

Рис. Примеры линейного кодирования в канале связи