Методы кодирования цифровых сигналов

Физи́ческое и́рование (линейное ирование[1][2][3], манипуляция сигнала[1][4], модуляция, импульсно-овая модуляция[1][5][6]) — представления дискретных сигналов[7], передаваемых по цифровому каналу связи, с целью передачи данных, представленных в цифровом виде, на расстояние по физическому каналу связи (такому как оптическое волокно, витая пара, коаксиальный кабель, инфракрасное излучение). Физическое ирование также применяется для записи данных на цифровой носитель. При физическом ировании обращают внимание на характеристики формируемого сигнала: ширину полосы частот, гармонический состав сигнала, способность к синхронизации приёмника с передатчиком. При физическом ировании решаются вопросы синхронизации, управления полосой пропускания сигнала, скорость передачи данных и расстояние на которое необходимо передать данные[1][5].

Различают виды передачи дискретных сигналов:


Иерархия ирования[ | ]

Система ирования сигналов имеет иерархию.

Физическое ирование[ | ]

Уменьшить обратно Линейное ирование.svg

Примеры физического ирования

Нижним уровнем в иерархии ирования является физическое ирование, которое определяет число дискретных уровней сигнала (амплитуды напряжения, амплитуды тока, амплитуды яркости).

Физическое ирование рассматривает ирование только на самом низшем уровне иерархии ирования — на физическом уровне и не рассматривает более высокие уровни в иерархии ирования, к которым относятся логические ирования различных уровней.

С точки зрения физического ирования цифровой сигнал может иметь два, три, четыре, пять и т. д. уровней амплитуды напряжения, амплитуды тока, амплитуды света.

Ни в одной из версий технологии Ethernet не применяется прямое двоичное ирование 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. ирование сигнала на физическом уровне позволяет приемнику синхронизироваться с передатчиком по смене напряжения в середине периода битов.

В некоторых случаях физическое ирование решает проблемы:

  • Ёмкостного сопротивления — нарастание в проводном канале связи постоянной составляющей (паразитной ёмкости), которое препятствует функциональности электрооборудования[5];
  • Нарушение плотности следования единичных импульсов — при передаче последовательности логических нулей или единиц происходит рассинхронизация передатчика и приемника[5].

Логическое ирование[ | ]

Вторым уровнем в иерархии ирования является самый нижний уровень логического ирования с разными назначениями.

В совокупности физическое ирование и логическое ирование образуют систему ирования низкого уровня.

Форматы ов[источник не указан 1227 дней][ | ]

Каждый бит ового слова передается или записывается с помощью дискретных сигналов, например, импульсов. Способ представления исходного а определенными сигналами определяется форматом а. Известно большое количество форматов, каждый из которых имеет свои достоинства и недостатки и предназначен для использования в определенной аппаратуре.

  • Формат БВН (без возвращения к нулю)[8]  — единичный бит передается в пределах такта, уровень не меняется. Положительный перепад означает переход из 0 к 1 в исходном е, отрицательный — от 1 к 0. Отсутствие перепадов показывает, что значения предыдущего и последующего битов равны. Для деирования ов в формате БВН необходимы тактовые импульсы. Соответствующий у формата БВН сигнал содержит низкочастотные компоненты (при передаче длинных серий нулей или единиц перепады не возникают).
  • Формат БВН-1 (без возвращения к нулю с перепадом при передаче 1) — является разновидностью формата БВН. Перепады сигнала формируются при передаче 1, при передаче 0 уровень сигнала не меняется.
  • Формат БВН-0 (без возвращения к нулю с перепадом при передаче 0) — является разновидностью формата БВН. Перепады сигнала формируются при передаче 0, при передаче 1 уровень сигнала не меняется. Применяется в многодорожечных системах записи цифровых сигналов. Возможным вариантом является запись двух дополнительных сигналов, соответствующих ам в форматах БВН-1 и БВН-0.
  • Формат ВН (с возвращением к нулю) — требует передачи импульса, занимающего только часть тактового интервала (например, половину), при одиночном бите. При нулевом бите импульс не формируется.
  • Формат ВН-П (с активной паузой) — означает передачу импульса положительной полярности при единичном бите и отрицательной — при нулевом бите. Сигнал этого формата имеет в спектре компоненты тактовой частоты. Он применяется в ряде случаев для передачи данных по линиям связи.
  • Формат ДФ-0 (двухфазный со скачком фазы при передаче 0) — соответствует способу представления, при котором перепады формируются в начале каждого такта. При единичных битах сигнал в этом формате меняется с тактовой частотой, то есть в середине каждого такта происходит перепад уровня. При передаче нулевого бита перепад в середине такта не формируется, то есть имеет место скачок фазы. в данном формате обладает возможностью самосинхронизации и не требует передачи тактовых сигналов.

Направление перепада при передаче сигнала единицы не имеет значения. Поэтому изменение полярности ированного сигнала не влияет на результат деирования. Он может передаваться по симметричным линиям без постоянной составляющей. Это также упрощает его магнитную запись. Этот формат известен также под названием «Манчестер 1». Он используется в адресно-временном е SMPTE, широко применяющемся для синхронизации носителей звуковой и видеоинформации.

Системы с двухуровневым ированием[ | ]

NRZ (Non Return to Zero)[ | ]

Уменьшить обратно NRZ .svg

NRZ

NRZ (Non Return to Zero, с англ. — «без возвращения к нулю») — двухуровневый . Логическому нулю соответствует нижний уровень, логической единице — верхний уровень. Информационные переходы происходят на границе значащих интервалов (значащий момент)[3][7].

Варианты представления а NRZ[ | ]

Различают несколько вариантов представления а:

  • Униполярный  — логическая единица представлена верхним потенциалом, логический нуль представлен нулевым потенциалом;
  • Биполярный  — логическая единица представлена положительным потенциалом, логический нуль представлен отрицательным потенциалом.

Достоинства NRZ-а[ | ]

  • Простая реализация;
  • Высокая скорость передачи данных;

Недостатки NRZ-а[ | ]

  • Необходимость передачи старт-стопового бита для синхронизации приёмника с передатчиком;
  • Наличие постоянной составляющей (ёмкостное сопротивление)[5], из-за чего невозможно обеспечить гальваническую развязку с помощью трансформатора;
  • Высокие требования к синхронизации частот на приёмном и передающем конце — за время передачи одного слова (байта) приемник не должен сбиться больше, чем на бит (например для слова длиной в байт с битом старта и стопа, то есть всего 10 бит канальной информации, рассинхронизация частот приёмника и передатчика не может превышать 10 % в обе стороны, для слова в 16 бит, то есть 18 бит канальной информации, рассинхронизация не должна превышать 5,5 %, а в физических реализациях и того меньше).

NRZI (Non Return to Zero Invertive)[ | ]

NRZI (Non Return to Zero Invertive) — потенциальный с инверсией при единице, формируется путем инверсного состояния при поступлении на вход ирующего устройства логической единицы, при поступлении логического нуля состояние потенциала не меняется. Этот метод является модифицированным методом Non Return to Zero (NRZ)[3].

Поскольку не защищен от долгих последовательностей логических нулей или единиц, то это может привести к проблемам синхронизации. Поэтому перед передачей, заданную последовательность битов рекомендуется предварительно заировать ом, предусматривающим скремблирование (скремблер предназначен для придания свойств случайности передаваемой последовательности данных с целью облегчения выделения тактовой частоты приемником). Используется в Fast Ethernet 100Base-FX и 100Base-T4.

Достоинства NRZI а[ | ]

  • Простота реализации;
  • Метод обладает хорошей распознаваемостью ошибок (благодаря наличию двух резко отличающихся потенциалов);
  • Спектр сигнала расположен в низкочастотной области относительно частоты следования значащих интервалов.

Недостатки NRZI а[ | ]

  • Метод не обладает свойством самосинхронизации. Даже при наличии высокоточного тактового генератора приёмник может ошибиться с выбором момента съёма 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;
  • Вторым серьёзным недостатком метода, является наличие низкочастотной составляющей, которая приближается к постоянному сигналу при передаче длинных последовательностей единиц и нулей (можно обойти сжатием передаваемых данных). Из-за этого многие линии связи, не обеспечивающие прямого гальванического соединения между приёмником и источником, этот вид ирования не поддерживают. Поэтому в сетях NRZ в основном используется в виде различных его модификаций, в которых устранены как плохая самосинхронизация а, так и проблемы постоянной составляющей.

Манчестерское ирование[ | ]

Уменьшить обратно Манчестер 2.svg

Манчестерское ирование

При манчестерском ировании каждый такт делится на две части. Информация ируется перепадами потенциала в середине каждого такта. Различают два варианта манчестерского ирования:

  • В соответствие с IEEE 802.3 — логическая единица ируется перепадом от низкого уровня сигнала к высокому, а логический ноль ируется перепадом с верхнего уровня сигнала к нижнему в центре значащего интервала.
  • Дифференциальное манчестерское ирование (Д. Е. Томасу) — логическая единица ируется перепадом от верхнего уровня сигнала к низкому, а логический ноль ируется перепадом с нижнего уровня сигнала к верхнему в центре значащего интервала[3].

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 обладает самосинхронизирующими свойствами. Обязательное наличие перехода в центре бита позволяет легко выделить синхросигнал. Допустимое расхождение частот передачи — до 25 % (это означает, что Манчестер-2 — самый устойчивый к рассинхронизации, он самосинхронизуется в каждом бите передаваемой информации).

Плотность а 1 бит/герц. В спектре сигнала, заированного Манчестером-2, присутствует 2 частоты — частота передачи и половинная частота передачи (она образуется когда рядом стоят 0 и 1 или 1 и 0. При передаче гипотетической последовательности одних 0 или 1 в спектре будет присутствовать только частота передачи).

Достоинства манчестерского ирования[ | ]

  • Нет постоянной составляющей (смена сигнала происходит на каждом такте передачи данных)
  • Полоса частот в сравнении с NRZ-ированием — основная гармоника в при передаче последовательности единиц или нулей имеет частоту N Гц, а при постоянной последовательности (при передаче чередования единиц и нулей) — N/2 Гц.
  • Является самосинхронизирующимся, то есть не требует специальной ировки синхроимпульса, который бы занимал полосу данных и поэтому является самым плотным ом на единицу частоты.
  • Возможность обеспечить гальваническую развязку с помощью трансформатора, так как у него отсутствует постоянная составляющая
  • Вторым важным преимуществом является отсутствие необходимости в синхронизующих битах (как в NRZ-е) и, вследствие этого, данные могут передаваться подряд сколь угодно долго, из-за чего плотность данных в общем потоке а приближается к 100 % (например для а NRZ 1-8-0 она равна 80 %).

Миллера[ | ]

Граф, описывающий формирование а Миллера
Уменьшить обратно  Миллера.svg

Миллера

Миллера (иногда называют трехчастотным) — является двуполярным двухуровневым ом, в котором каждый информационный бит ируется комбинацией из двух битов {00, 01, 10, 11}, а переходы из одного состояния в другое описываются графом[9]. При непрерывном поступлении логических нулей или единиц на ирующее устройство переключение полярности происходит с интервалом T, а переход от передачи единиц к передаче нулей с интервалом 1,5T. При поступлении на ирующее устройство последовательности 101 возникает интервал 2Т, по этой причине данный метод ирования называют трехчастотным[3].

Преимущества[ | ]

  • Нет избыточности в е (нет специальных комбинаций для синхронизации);
  • Способность к самосинхронизации (в самом е заложен принцип по которому гарантированно можно синхронизироваться);
  • Полоса пропускания а Миллера вдвое меньше полосы пропускания в сравнении с манчестерским ированием.

Недостатки[ | ]

  • Присутствие постоянной составляющей, при этом достаточно велик и низкочастотный компонент, что преодолено в модифицированном е Миллера в квадрате.

Системы с трёхуровневым ированием[ | ]

RZ (return to zero)[ | ]

Уменьшить обратно RZ .svg

RZ-

RZ (return to zero)(англ. ирование с возвращения к нулю) — биполярный с возвращением к нулю[5] (трехуровневый). Согласно RZ-у, каждый бит передается перепадом с одного уровня на нулевой, в середине значащего интервала так: логическому нулю соответствует переход с верхнего уровня на нулевой уровень, логической единице соответствует переход с нижнего уровня на нулевой уровень. Требует в 2 раза больше скорости переключения состояний по сравнению со скоростью переключения согласно у NRZ.

Биполярный AMI[ | ]

Уменьшить обратно AMI (Alternate mark inversion) .svg

AMI

AMI (Alternate mark inversion)  — обладает хорошими синхронизирующими свойствами при передаче серий единиц и сравнительно прост в реализации. Недостатком а является ограничение на плотность нулей в потоке данных, поскольку длинные последовательности нулей ведут к потере синхронизации. Используется в телефонии уровня передачи данных, когда используются потоки мультиплексирования[3].

AMI-[5] использует следующие представления битов:

  • биты 0 представляются нулевым напряжением (0 В)
  • биты 1 представляются поочерёдно значениями -U или +U (В)

HDB3 (биполярный с высокой плотностью третьего порядка)[ | ]

HDB3 (биполярный с высокой плотностью третьего порядка[5]) исправляет любые 4 подряд идущих нуля в исходной последовательности. Правило формирования а следующее: каждые 4 нуля заменяются 4 символами в которых имеется хотя бы один сигнал V. Для подавления постоянной составляющей полярность сигнала V чередуется при последовательных заменах. Для замены используются два способа:

  1. Если перед заменой исходный содержал нечётное число единиц то используется последовательность 000V
  2. Если перед заменой исходный содержал чётное число единиц то используется последовательность 100V

V-сигнал единицы запрещённого для данного сигнала полярности

Тоже что и AMI, только ирование последовательностей из четырех нулей заменяется на -V/0, 0, 0, -V или +V/0, 0, 0, +V — в зависимости от предыдущей фазы сигнала и количества единиц в сигнале, предшествующем данной последовательности нулей.

MLT-3[ | ]

Уменьшить обратно MLT-3.svg

ирование MLT-3

MLT-3 (Multi Level Transmission — 3) (англ. многоуровневая передача) — метод ирования, использующий три уровня сигнала. Метод основывается на циклическом переключении уровней -U, 0, +U. Единице соответствует переход с одного уровня сигнала на следующий. Так же как и в методе NRZI при передаче логического нуля сигнал не меняется. Метод разработан Cisco Systems для использования в сетях FDDI на основе медных проводов, известных как CDDI. Также используется в Fast Ethernet 100BASE-TX. Единице соответствует переход с одного уровня сигнала на другой, причем изменение уровня сигнала происходит последовательно с учетом предыдущего перехода. При передаче нуля сигнал не меняется.

Преимущества MLT-3 а[ | ]

  • В случае наиболее частого переключения уровней (длинная последовательность единиц) для завершения цикла необходимо четыре перехода. Это позволяет вчетверо снизить частоту несущей относительно тактовой частоты, что делает MLT-3 удобным методом при использовании медных проводов в качестве среды передачи.
  • Этот , так же как и NRZI нуждается в предварительном ировании. Используется в Fast Ethernet 100Base-TX.

Гибридный троичный  (англ.)[ | ]

Входной бит Предыдущее состояние
на выходе
Выходной бит
0 +
0
0
1 +
0 +

4B3T[ | ]

Уменьшить обратно 4B3T.svg

4B3T

4B3T (4 Binary 3 Ternary, когда 4 двоичных символа передаются с помощью 3 троичных символов) — cигнал на выходе ирующего устройства, согласно у 4B3T, является трехуровневым, то есть на выходе ирующего устройства формируется сигнал с тремя потенциальными уровнями. формируется, например, согласно таблице ирования MMS43[10]. Таблица ирования:

MMS 43 coding table
Input Accumulated DC offset
1 2 3 4
0000 + 0 + (+2) 0−0 (−1)
0001 0 − + (+0)
0010 + − 0 (+0)
0011 0 0 + (+1) − − 0 (−2)
0100 − + 0 (+0)
0101 0 + + (+2) − 0 0 (−1)
0110 − + + (+1) − − + (−1)
0111 − 0 + (+0)
1000 + 0 0 (+1) 0 − − (−2)
1001 + − + (+1) − − −   (−3)
1010 + + − (+1) + − − (−1)
1011 + 0 − (+0)
1100 + + + (+3) − + − (−1)
1101 0 + 0 (+1) − 0 − (−2)
1110 0 + − (+0)
1111 + + 0 (+2) 0 0 − (−1)

Таблица деирования:

Ternary Binary Ternary Binary Ternary Binary
0 0 0 н/д − 0 0 0101 + − − 1010
+ 0 + 0000 − + + 0110 + 0 − 1011
0 − 0 0000 − − + 0110 + + + 1100
0 − + 0001 − 0 + 0111 − + − 1100
+ − 0 0010 + 0 0 1000 0 + 0 1101
0 0 + 0011 0 − − 1000 − 0 − 1101
− − 0 0011 + − + 1001 0 + − 1110
− + 0 0100 − − − 1001 + + 0 1111
0 + + 0101 + + − 1010 0 0 − 1111

Системы с четырёхуровневым ированием[ | ]

2B1Q (Потенциальный 2B1Q)[ | ]

Уменьшить обратно Потенциальный  2B1Q.svg

2B1Q

2B1Q (2 Binary 1 Quaternary) — потенциальный 2B1Q (в некоторой литературе называется PAM-5) передает пару бит за один значащий интервал[1][2]. Каждой возможной паре в соответствие ставится свой уровень из четырех возможных уровней потенциала.

Пара Соответствующий
потенциал,
Вольт
00 −2,5
01 −0,833
11 +0,833
10 +2,5

Достоинство метода 2B1Q[ | ]

  • Сигнальная скорость у этого метода в два раза ниже, чем у ов NRZ и AMI, а спектр сигнала в два раза уже. Следовательно с помощью 2B1Q-а можно по одной и той же линии передавать данные в два раза быстрее.

Недостатки метода 2B1Q[ | ]

  • Реализация этого метода требует более мощного передатчика и более сложного приемника, который должен различать четыре уровня.

См. также[ | ]

Источники[ | ]

  1. 1 2 3 4 5 Берлин А. Н. Коммутация в системах и сетях связи. — М.: Эко-трендз, 2006. — С. 39—43. — 344 с. — ISBN 5-88405-073-9.
  2. 1 2 Абилов А.В. Сети связи и системы коммутации. — М.: Радио и связь, 2004. — 288 с. — ISBN 5-256-01704-7.
  3. 1 2 3 4 5 6 Ирвин Дж., Харль Д. Передача данных в сетях: инженерный подход. — СПб.: БВХ-Петербург, 2003. — 448 с. — ISBN 5-94157-113-5.
  4. Сергиенко А. Б. Цифровая обработка сигналов. — СПб.: Питер, 2002. — 608 с. — ISBN 5-318-00666-3.
  5. 1 2 3 4 5 6 7 8 Дансмор, Брэд, Сканьдер, Тоби. Справочник по телекоммуникационным технологиям. — Вильямс. — М., 2004. — 640 с. — ISBN 5-8459-0562-1.
  6. Скляр, Бернард. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение / Перевод с англ. Е. Г. Грозы, В. В. Марченко, А. В. Назаренко. — 2-е испр.. — М.: Вильямс, 2007. — 1104 с. — ISBN 978-5-8459-0497-3.
  7. 1 2 3 4 Шувалов В. П., Захарченко Н. В., и др. Передача дискретных сообщений: учебник для вузов / под ред. Шувалов В. П.. — М.: Радио и связь, 1990. — 464 с. — ISBN 5-256-00852-8.
  8. Дворкович В.П., Дворкович А.В. Метрологическое обеспечение видеоинформационных систем. — М.: Техносфера, 2015. — 784 с. — ISBN 978-5-94836-419-3.
  9. Mylene Pischella, Didier Le Ruyet. Digital Communications 2: Digital Modulations. — John Wiley & Sons, 2015. — С. 28—30. — 334 с. — ISBN 1119189993. — ISBN 9781119189992.
  10. "Wired Communications T-SMINTO 4B3T Second Gen. Modular ISDN NT (Ordinary)" (PDF) (Data sheet). Version 1.1. Infineon. November 2001. PEF 80902..

Литература[ | ]

  • Гольдштейн Борис Соломонович. Протоколы сети доступа. — БХВ-Петербург. — 2005.
  • Передача дискретных сообщений: Учебник для вузов/ В. П. Шувалов, Н. В. Захарченко, В. О. Шварцман и др. ; Под ред. В. П. Шувалова. — М.: Радио и связь, —1990—464 ISBN 5-256-00852-8
  • Сухман С. М., Бернов А. В., Шевкопляс Б. В. Синхронизация в телекоммуникационных системах: Анализ инженерных решений. — М.: Эко-Тренз, — 2003, 272с. ISBN 5-88405-046-1

Ссылки[ | ]