Лекция 11. Физическое кодирование

для улучшения свойств потенциальных кодов.

самом низшем уровне иерархии кодирования - на физическом уровне и

не рассматривает более высокие уровни в иерархии кодирования, к которым относятся логические кодирования различных уровней.
Ни в одной из версий технологии Ethernetне применяется прямое двоичное кодирование бита 0 напряжением 0 вольт и бита 1 - напряжением +5 вольт, так как такой способ приводит к неоднозначности. Если одна станция посылает битовую строку 00010000, то другая станция может интерпретировать её либо как 10000, либо как 01000, так как она не может отличить «отсутствие сигнала» от бита 0. Поэтому принимающей машине необходим способ однозначного определения начала, конца и середины каждого бита без помощи внешнего таймера. Кодирование сигнала на физическом уровне позволяет приемнику синхронизироваться с передатчиком по смене напряжения в середине периода битов.

передачи дискретной информации необходимо выбрать такой способ кодирования, который одновременно

достигал бы нескольких целей:
- имел при одной и той же битовой скорости наименьшую ширину спектра результирующего сигнала;
- обеспечивал синхронизацию между передатчиком и приемником;
- обладал способностью распознавать ошибки;
- обладал низкой стоимостью реализации.
Требования, предъявляемые к методам кодирования, являются взаимно противоречивыми, поэтому каждый из рассматриваемых ниже популярных методов цифрового кодирования обладает своими преимуществами и своими недостатками по сравнению с другими.

и той же линии (с одной и той же полосой

пропускания) добиваться более высокой скорости передачи данных. Кроме того, часто к спектру сигнала предъявляется требование отсутствия постоянной составляющей, то есть наличия постоянного тока между передатчиком и приемником.
Синхронизация передатчика и приемника нужна для того, чтобы приемник точно знал, в какой момент времени необходимо считывать новую информацию с линии связи. Эта проблема в сетях решается сложнее, чем при обмене данными между близко расположенными устройствами, например между блоками внутри компьютера или же между компьютером и принтером. Поэтому в сетях применяются так называемые самосинхронизирующиеся коды, сигналы которых несут для передатчика указания о том, в какой момент времени нужно осуществлять распознавание очередного бита (или нескольких бит, если код ориентирован более чем на два состояния сигнала). Любой резкий перепад сигнала - так называемый фронт - может служить хорошим указанием для синхронизации приемника с передатчиком.

передаче последовательности единиц сигнал не возвращается к нулю в течение

такта (рис.1,а) (в других методах кодирования возврат к нулю в этом случае происходит). Метод NRZ прост в реализации, обладает хорошей распознаваемостью ошибок (из-за двух резко отличающихся потенциалов), но не обладает свойством самосинхронизации. При передаче длинной последовательности единиц или нулей сигнал на линии не изменяется, поэтому приемник лишен возможности определять по входному сигналу моменты времени, когда нужно в очередной раз считывать данные. Даже при наличии высокоточного тактового генератора приемник может ошибиться с моментом съема данных, так как частоты двух генераторов никогда не бывают полностью идентичными. Поэтому при высоких скоростях обмена данными и длинных последовательностях единиц или нулей небольшое рассогласование тактовых частот может привести к ошибке в целый такт и, соответственно, считыванию некорректного значения бита.

низкочастотной составляющей, которая приближается к нулю при передаче длинных последовательностей

единиц или нулей. Из-за этого многие каналы связи, не обеспечивающие прямого гальванического соединения между приемником и источником, этот вид кодирования не поддерживают. В результате в чистом виде код NRZ в сетях не используется. Тем не менее используются его различные модификации, в которых устраняют как плохую самосинхронизацию кода NRZ, так и наличие постоянной составляющей. Привлекательность кода NRZ, из-за которой имеет смысл заняться его улучшением, состоит в достаточно низкой частоте основной гармоники f0, которая равна N/2 Гц, как это было показано в предыдущем разделе. У других методов кодирования, например манчестерского, основная гармоника имеет более высокую частоту.

из модификаций метода NRZ является метод биполярного кодирования с альтернативной

инверсией (Bipolar Alternate Mark Inversion, AMI). В этом методе (рис. 1, б) используются три уровня потенциала - отрицательный, нулевой и положительный. Для кодирования логического нуля используется нулевой потенциал, а логическая единица кодируется либо положительным потенциалом, либо отрицательным, при этом потенциал каждой новой единицы противоположен потенциалу предыдущей.
Код AMI частично ликвидирует проблемы постоянной составляющей и отсутствия самосинхронизации, присущие коду NRZ. Это происходит при передаче длинных последовательностей единиц. В этих случаях сигнал на линии представляет собой последовательность разнополярных импульсов с тем же спектром, что и у кода NRZ, передающего чередующиеся нули и единицы, то есть без постоянной составляющей и с основной гармоникой Vи/2 Гц (где Vи - битовая скорость передачи данных). Длинные же последовательности нулей также опасны для кода AMI, как и для кода NRZ - сигнал вырождается в постоянный потенциал нулевой амплитуды.
В коде AMI используются не два, а три уровня сигнала на линии. Дополнительный уровень требует увеличение мощности передатчика примерно на 3 дБ для обеспечения той же достоверности приема бит на линии, что является общим недостатком кодов с несколькими состояниями сигнала по сравнению с кодами, которые различают только два состояния.

с двумя уровнями сигнала. При передаче нуля он передает потенциал,

который был установлен в предыдущем такте (то есть не меняет его), а при передаче единицы потенциал инвертируется на противоположный. Этот код называется потенциальным кодом с инверсией при единице (Non Return to Zero with ones Inverted, NRZI). Этот код удобен в тех случаях, когда использование третьего уровня сигнала весьма нежелательно, например в оптических кабелях, где устойчиво распознаются два состояния сигнала - свет и темнота.
Для улучшения потенциальных кодов, подобных AMI и NRZI, используются два метода. Первый метод основан на добавлении в исходный код избыточных бит, содержащих логические единицы. Очевидно, что в этом случае длинные последовательности нулей прерываются и код становится самосинхронизирующимся для любых передаваемых данных. Исчезает также постоянная составляющая, а значит, еще более сужается спектр сигнала. Но этот метод снижает полезную пропускную способность линии, так как избыточные единицы пользовательской информации не несут. Другой метод основан на предварительном «перемешивании» (скрэмблировании) исходной информации таким образом, чтобы вероятность появления единиц и нулей на линии становилась близкой.
NRZI – этот потенциальный код объединяет NRZ и AMI

Потенциальный код с инверсией при единице (NRZI).

и импульсные коды, когда данные представлены полным импульсом или же

его частью - фронтом. Наиболее простым случаем такого подхода является биполярный импульсный код, в котором единица представлена импульсом одной полярности, а ноль - другой (рис. 1, в). Каждый импульс длится половину такта. Такой код обладает отличными самосинхронизирующими свойствами, но постоянная составляющая, может присутствовать, например, при передаче длинной последовательности единиц или нулей. Кроме того, спектр у него шире, чем у потенциальных кодов. Так, при передаче всех нулей или единиц частота основной гармоники кода будет равна Vи Гц, что в два раза выше основной гармоники кода NRZ и в четыре раза выше основной гармоники кода AMI при передаче чередующихся единиц и нулей. Из-за слишком широкого спектра биполярный импульсный код используется редко.

на две части. Информация кодируется перепадами потенциала в середине каждого

такта. Единица кодируется перепадом от низкого уровня сигнала к высокому, а ноль — обратным перепадом. В начале каждого такта может происходить служебный перепад сигнала, если нужно представить несколько единиц или нулей подряд. Так как сигнал изменяется по крайней мере один раз за такт передачи одного бита данных, то манчестерский код обладает хорошими самосинхронизирующими свойствами. У манчестерского кода нет постоянной составляющей (меняется каждый такт), а основная гармоника в худшем случае (при передаче последовательности единиц или нулей) имеет частоту N Гц, а в лучшем случае (при передаче чередующихся единиц и нулей) — N/2 Гц, как и у NRZ. В среднем ширина спектра при манчестерском кодировании в два раза шире чем при NRZ кодировании.

одного бита) уровень сигнала может меняться дважды. Обязательно происходит изменение

уровня в середине интервала, этот перепад используется для синхронизации. Получается, что при передаче нуля в начале битового интервала происходит перепад уровней, а при передаче единицы такой перепад отсутствует.

интервал. Каждой возможной паре в соответствие ставится свой уровень потенциала.

Паре 00 соответствует потенциал −2.5 В, 01 соответствует −0.833 В, 11 — +0.833 В, 10 — +2.5 В.
Достоинство метода 2B1Q: Сигнальная скорость у этого метода в два раза ниже, чем у кодов NRZ и AMI, а спектр сигнала в два раза уже. Следовательно с помощью 2B1Q-кода можно по одной и той же линии передавать данные в два раза быстрее.
Недостаток метода 2B1Q: Реализация этого метода требует более мощного передатчика и более сложного приемника, который должен различать четыре уровня.

(+V, 0, -V) постоянные в линии каждого битового интервала. При

передаче 0 значения не меняются, при передаче 1 — меняются на соседние по цепочке +V, 0, -V, 0, +V и тд. (рис. 5). Такая схема является усложнонным вариантом NRZI. Применяется в FDDI и 100BaseTX.

Рис. 2.

кодировании.
Код трехуровневой передачи MLT-3 (Multi Level Transmission-3) имеет много общего

с кодом AMI. Единице соответствует последовательный переход на границе битового интервала с одного уровня сигнала на другой. При передаче нулей сигнал не меняется. Максимальная частота сигнала достигается при передаче длинной последовательности единиц. В этом случае изменение уровня сигнала происходит последовательно с одного уровня на другой с учетом предыдущего перехода. MLT-3 используется в сетях FDDI на основе медных проводов, известных как CDDI, и Fast Ethernet стандарта 100Base-TX совместно с избыточным методом логического кодирования 4В/5В.
Недостатки:
- отсутствие свойства самосинхронизации;
- наличие трех уровней сигнала;
- наличие постоянной составляющей в сигнале в случае длинной последовательности нулей.

коды RZ, биполярный код, 2B1Q-имеют более узкую полосу частот, что

является их преимуществом, но страдают появлением постоянной составляющей и потерей синхронизации при передаче длинных серий одинаковых элементов или групп.
Для борьбы с этим явлением применяют логическое кодирование (ЛК).
ЛК – заменяет длинные последовательности элементов, приводящих к постоянному потенциалу другими последовательностями устраняющими данный недостаток.
Для логического кодирования характерны 2 метода:
- избыточные коды;
- скрэмблирование.
Избыточные коды основаны на разбиении исходной последовательности на порции (символы) и замене исходной порции, новой имеющей большее количество бит.
Так как символы содержат избыточные биты, то общее количество кодовых комбинаций в них больше, чем в исходных.

на порции, которые часто называют символами. Затем каждый исходный символ

заменяется новым с большим количество битов, чем исходный.
Например, в логическом коде 4В/5В, используемом в технологиях FDDI и Fast Ethernet, исходные символы длиной 4 бит заменяются символами длиной 5 бит. Так как результирующие символы содержат избыточные биты, то общее количество битовых комбинаций в них больше, чем в исходных. Так, в коде 4В/5В результирующие символы могут содержать 32 битовые комбинации, в то время как исходные символы — только 16 (cм. табл.1).

не содержат большого количества нулей, а остальные считать запрещенными кодами

(code violations). Помимо устранения постоянной составляющей и придания коду свойства самосинхронизации, избыточные коды позволяют приемнику распознавать искаженные биты. Если приемник принимает запрещенный код, значит, на линии произошло искажение сигнала.
После разбиения получившийся код 4В/5В передается по линии путем преобразования с помощью какого-либо из методов потенциального кодирования, чувствительного только к длинным последовательностям нулей. Таким кодом является, например, код NRZI.
Символы кода 4В/5В длиной 5 бит гарантируют, что при любом их сочетании на линии не встретятся более трех нулей подряд.
Таблица 1. Соответствие исходных и результирующих кодов 4В/5В

имеет два состояния (от английского binary — двоичный). Имеются также

коды и с тремя состояниями сигнала, например в коде 8В/6Т для кодирования 8 бит исходной информации используется код из 6 сигналов, каждый из которых имеет три состояния. Избыточность кода 8В/6Т выше, чем кода 4В/5В, так как на 256 исходных кодов приходится З6 - 729 результирующих символов.
Использование таблицы перекодировки является очень простой операцией, поэтому этот подход не усложняет сетевые адаптеры и интерфейсные блоки коммутаторов и маршрутизаторов.
Для обеспечения заданной пропускной способности линии передатчик, использующий избыточный код, должен работать с повышенной тактовой частотой. Так, для передачи кодов 4В/5В со скоростью 100 Мбит/с требуется тактовая частота 125 МГц. При этом спектр сигнала на линии расширяется по сравнению со случаем, когда по линии передается не избыточный код. Тем не менее спектр избыточного потенциального кода оказывается уже спектра манчестерского кода, что оправдывает дополнительный этап логического кодирования, а также работу приемника и передатчика на повышенной тактовой частоте.

передачи с целью получения свойств случайной последовательности.
Скремблирование заключается в преобразовании

исходного двоичного сигнала в сигнал, близкий к случайному, имеющему биноминальное рас­пределение вероятностей появления (при равновероятном появлении символов 1 и 0), т. е. осуществляется рандомизация произвольного инфор­мационного сигнала.
В отличие от сигналов с произвольными статистическими параметра­ми, для которых вероятности появления символов и групп символов могут быть произвольными, в цифровом случайном (скремблированном) сигна­ле вероятность появления любой комбинации является не произвольной, а определяется в соответствии с биномиальным законом вероятностью появления одного символа и длиной серии.

СС является то, что он управляется скремблированной последовательностью, т.е. той, которая

передается в канал. Поэтому при данном виде скремблирования не требуется специальной установки состояний скремблера и дескремблера; скремблированная последовательность записывается в регистры сдвига скремблера и дескремблера, устанавливая их в идентичное состояние. При потере синхронизма между скремблером и дескремблером время восстановления синхронизма не превышает числа тактов, равного числу ячеек регистра скремблера.

Самосинхронизирующиеся скремблер и дескремблер

модулю 2 принятой скремблированной последовательности с ПСП регистра. Например, входная

последовательность аk с помощью скремблера в соответствии с соотношением bk=akÅ (bk-6Å bk-7) преобразуется в посылаемую двоичную последовательность bk. В приемнике из этой последовательности таким же регистром сдвига, как на приеме, формируется последовательность ak=bkÅ (bk-6Å bk-7). Эта последовательность на выходе дескремблера идентична первоначальной последовательности.
Как следует из принципа действия схемы, при одной ошибке в последовательности bk ошибочными получаются также последующие шестой и седьмой символы (в данном примере). В общем случае влияние ошибочно принятого бита будет сказываться (a+1) раз, где а - число обратных связей. Таким образом, СС скремблер - дескремблер обладает свойством  размножения ошибок. Данный недостаток СС скремблера - дескремблера ограничивает число обратных связей в регистре сдвига; практически это число не превышает а=2.
Второй недостаток СС скремблера связан с возможностью появления на его выходе при определенных условиях так называемых критических ситуаций, когда выходная последовательность приобретает периодический характер с периодом, меньшим длины ПСП. Чтобы предотвратить это, в скремблере и дескремблере согласно рекомендациям МСЭ-Т предусматриваются специальные дополнительные схемы контроля, которые выявляют наличие периодичности элементов на входе и нарушают ее.

однако, здесь требуется предварительная идентичная установка состояний регистров скремблера и

дескремблера. В скремблере с установкой (АД-скремблере), как и в СС скремблере, производится суммирование входного сигнала и ПСП, но результирующий сигнал не поступает на вход регистра. В дескремблере скремблированный сигнал также не проходит через регистр сдвига, поэтому размножения ошибок не происходит.

Аддитивные скремблер и дескремблер

модулю 2 передаваемого символа с некото­рым другим символом не приводит

к его изменению, однако в линию вместо последовательности X1 передается последовательность Z, имеющая большее число единиц по сравнению с исходной последовательностью.
Основным элементом скремблера является генератор псевдослучай­ной последовательности (ПСП).
К достоинствам скремблированного сигнала можно отнести:
возможность достаточно точного расчета параметров выделителя такто­вой частоты линейных регенераторов, так как может быть определена вероят­ность появления любой комбинации в линейном цифровом сигнале;
универсальность, которая заключается в возможности сквозной пе­редачи скремблированного сигнала по сети связи через любые циф­ровые тракты, так как скремблирование исходной двоичной последова­тельности осуществляется без преобразования его в другой вид, а выделе­ние исходного сигнала производится только в приемном оборудовании оконечной станции;
уменьшение влияния статистических параметров исходного сигна­ла на фазовые дрожания цифрового сигнала в линии;
- обеспечение возможности контроля качества передачи при на­рушении чередования полярности импульсов при использовании скремблирования в сочетании с кодом ЧПИ (Код с чередующейся полярностью импульсов (ЧПИ)