Линейные коды

 

Преобразование цифрового сигнала к виду, позволяющему передавать его с наименьшими энергетическими затратами, малым уровнем, называется преобразованием к коду передачи, а сами коды - линейными или кодами передачи. Как было отмечено в подразделе 4.1.2. при линейном кодировании желательно убрать постоянную составляющую сигнала и обеспечить условие выделения тактовой частоты для синхронизации.

К таким кодам относятся блочные, биимпульсные коды, коды СМI, МЧПИ и др.

Линейные коды делятся на однополярные и биполярные. Однополярные используются в основном в волоконно-оптичес-ких линиях связи (ВОЛС), биполярные – в кабельных системах, радиорелейных линиях (РРЛ).

 

Однополярные коды делятся на NRZ и RZ коды:

· NRZ – без возврата к нулю, т.е. значение сигнала не возвращается к нулю за время передачи символа (рисунок 4.17).

 

 

· RZ – с возвратом к нулю, т.е. за время передачи символа сигнал меняет свое значение и возвращается к нулю (рисунок 4.18).

 

В кодах RZ полоса частот увеличивается в два раза относительно кодов NRZ, за счет уменьшения длительности импульса t_и.

Для того, чтобы убедиться в этом, рассмотрим спектры (рисунок 4.20) элементарных сигналов, соответствующих NRZ и RZ кодам (рисунок 4.19).

 

 

.

На графике наглядно видно, что спектр RZ кода в два раза шире, т.е. RZ сигнал занимает полосу частот в два раза больше, чем NRZ сигнал.

К биполярным кодам относятся коды с чередованием полярности импульсов (ЧПИ), т.е. каждый четный импульс меняет полярность. Эти коды бывают также NRZ и RZ:

- NRZ ЧПИ (рисунок 4.21).

 

 

 

Энергетические показатели данного кода и всех биполярных лучше, чем любого из выше рассмотренных, т.к. в сигнале отсутствует постоянная составляющая, однако, частота тактовой синхронизации в нем не содержится, что резко ограничивает применимость кода. Этот код не позволяет выделить тактовую частоту.

- RZ ЧПИ (рисунок 4.22).

 

 

 

Он, и ему подобные, чаще всего применяются при передаче цифровых сигналов по электрическим кабелям и РРЛ, поскольку и электрический кабель, и РРЛ легко позволяют передавать отрицательную полярность импульсов.

В кодах ЧПИ для передачи двух символов (1 и 0) используется три состояния (1, 0 и –1), т.е. существует избыточность. Эту избыточность используют для обнаружения ошибок. В соответствии с принятым алгоритмом формирования кода в нем не могут следовать подряд два импульса одной полярности.

К биполярным кодам относятся также блочные коды, но здесь иначе используется избыточность ЧПИ. В качестве примера приведем троичный код 4ВЗТ (В – binary), (Т – ternary), когда в трех импульсах передается четыре двоичных символа с использованием специальных кодовых комбинаций (блоков) (см. Таблицу 4.1).

Нетрудно видеть, что число возможных сочетаний уровней передачи 3³=27 больше набора кодовых комбинаций 2⁴=16 и это обосновывает возможность такой кодировки. Остающаяся избыточность (16<27) позволяет реализовать несколько вариантов кода.

 

Таблица 4.3 - Код 4В3Т

Кодовая комбинация	Сочетание уровней передачи
1 вариант	2 вариант	3 вариант
0 0 0 0	–1 –1 –1	+1 +1 +1	0 –1 +1
0 0 0 1	–1 –1 0	+1 +1 0	–1 +1 0
0 0 1 0	–1 0 –1	+1 0 +1	–1 0 +1
0 0 1 1	0 –1 –1	0 +1 +1	+1 –1 +1
0 1 0 0	–1 –1 +1	+1 +1 –1	0 +1 +1
0 1 0 1	–1 +1 –1	+1 –1 +1	0 –1 0
0 1 1 0	+1 –1 –1	–1 +1 +1	0 0 +1
0 1 1 1	–1 +1 0	+1 –1 0	–1 +1 +1
1 0 0 0	+1 0 –1	–1 0 +1	+1 –1 0
1 0 0 1	0 –1 +1	0 +1 –1	–1 0 –1
1 0 1 0	+1 –1 0	–1 +1 0	+1 0 0
1 0 1 1	–1 0 +1	+1 0 –1	+1 0 +1
1 1 0 0	0 +1 –1	0 –1 +1	–1 –1 0
1 1 0 1	–1 +1 +1	+1 –1 –1	+1 +1 –1
1 1 1 0	+1 +1 –1	–1 –1 +1	0 –1 +1
1 1 1 1	+1 –1 +1	–1 +1 –1	+1 –1 –1

Таким образом, вместо каждых четырех импульсов нужно передавать в линию только три. Появляется возможность вместо каждого четвертого импульса цифрового потока передать дополнительные символы, т.е. увеличить объем передаваемой информации и тем самым выиграть в скорости передачи информации.

Рассмотрим биимпульсные коды. Здесь каждый символ представляется одним биполярным импульсом (рисунок 4.23).

 

Приведем пример абсолютного биимпульсного кода (рисунок 4.24):

 

 

К достоинствам этого кода относятся:

- возможность выделения тактовой частоты;

- отсутствие постоянной составляющей.

А к недостаткам:

- отсутствие избыточности;

- возможность неправильного приема символа, т.к. импульсы отличаются только фазой. Если произойдет случайный «переброс» фазы, то весь сигнал поменяет полярность. Чтобы этого избежать, вводят относительный биимпульсный код. В этом случае приведенная выше последовательность будет выглядеть так, как показано на рисунке 4.25.

 

 

 

При этом принятый импульс считается единицей, если произошла смена фаз, и нулем – если нет.

Рассмотрим спектр биимпульсного сигнала (рисунок 4.26).

Рисунок 4.26 – Спектр биимпульсного сигнала

 

Из графика видно, что в данном сигнале отсутствует постоянная составляющая. А так как именно постоянная составляющая требует большой мощности, то можно сделать вывод, что данный сигнал наиболее экономичен с точки зрения энергетики. К тому же отсутствие постоянной составляющей уменьшает такой отрицательный фактор, как дрейф нуля.

Коды СМI - это сочетание ЧПИ и биимпульсных кодов. Также как в NRZ ЧПИ происходит изменение полярности каждого четного единичного импульса, но при этом еще происходит замена нуля одним биполярным импульсом, как в биполярных кодах. При этом последовательность, приведенная при рассмотрении биимпульсных кодов, будет такой, как показано на рисунке 4.27, и нулю соответствует биполярный импульс.

 

 

 

 

На практике часто применяют МЧПИ коды (модифицированный ЧПИ). Причиной их создания стала проблема выделения тактовой частоты при появлении в кодовой комбинации нескольких нулей подряд. В этих кодах вместо нулей добавляются определенные кодовые комбинации, которые удаляются после выделения тактовой частоты. Для того чтобы они легко удалялись, необходимо, чтобы они сбивали привычное чередование импульсов. Примером такого кода является код HDB-3. Число 3 здесь указывает на то, что допускается количество нулей не больше трех.

Комбинация 0000 заменяется на комбинацию 000V или В00V, где «В» и «V» = +(–) 1. Рассмотрим правила составления этого кода:

1. Полярность «В» всегда противоположна полярности предыдущего импульса, а полярность «V» – совпадает.

2. Если число единиц в предыдущей пачке четное, то вводится В00V, если нечетное – 000V. Под пачкой понимается последовательность импульсов между двумя паузами с числом нулей больше трех.

Например, двоичная комбинация, показанная на рисунке 4.28:

 

 

 

После применения к ней описанного правила, код приобретет вид, показанный на рисунке 4.29: