Методы физического кодирования

В зависимости от типа промежуточной аппаратуры линии связи можно разделить на аналоговые и цифровые.

Исходные данные (буквенно-цифровые) путем логического кодирования преобразуются в битовые последовательности, а потом передаются методами физического кодирования.

Кодирование – это изменение параметров периодического сигнала или знака потенциала последовательности импульсов. Период времени между соседними изменениями – такт работы передатчика.

Количество изменений информационного параметра несущего сигнала в секунду измеряется в бодах. Пропускная способность в бит/с не совпадает с числом бод. Это зависит от способа кодирования. Если у сигнала 2 различных состояния, то эти величины совпадают. При импульсном кодировании 2 изменения за 1 такт бит меньше. Если у сигнала различается более 2 состояний, то число бит > бод.

Аналоговая модуляция

Применяется при передаче дискретных сигналов по каналам с узкой полосой частот. Примером является канал тональной частоты в телефонных сетях. Его полоса пропускания 3100Гц (от 300 до 3400). Человеческий голос имеет спектр от 100 Гц до 10 кГц, но 3100 Гц достаточно для приемлемой передачи речи.

При аналоговой модуляции информация кодируется изменением амплитуды, частоты или фазы синусоидального сигнала (амплитудная, частотная, фазовая модуляция).

Рис. 7 Аналоговое кодирование

Устройство, которое выполняет функции модуляции несущей синусоиды – модем.

При амплитудной модуляции спектр сигнала состоит из синусоиды несущей частоты f_c и двух боковых гармоник (f_c+f_m) и (f_c–f_m). При таком способе кодирования (2 уровня) ширина спектра будет 2 f_m .

Рис. 8 Спектр сигнала при амплитудной модуляции

Для повышения скорости передачи данных и для надежности применяют комбинированные методы модуляции. Квадратурно-амплитудная (8 сдвигов фаз и 4 уровня амплитуды = 32 комбинации). Для передачи данных выбраны 6,7 или 8 комбинаций. C=2F log₂ 8=18600 бит/с

Рис. 9 Спектр потенциального кода

При применении потенциального способа кодирования спектр сигнала состоит из гармоник на частотах 0, N/2, 3N/2, 5N/2 и т.д. Амплитуды А₀, А₀/3, А₀/5 и т.д. Такой спектр в полосу пропускания не помещается. Поэтому потенциальные коды на каналах тональной частоты не используют.

Цифровое кодирование

1. Обладает синхронизацией.

2. Возможно распознавание ошибок.

3. При одной битовой скорости меньше ширина спектра.

4. Ниже стоимость реализации.

При цифровом кодировании применяют потенциальные и импульсные коды.

В потенциальных кодах для представления логических 0 и 1 используют значение потенциала сигнала, а его перепады не рассматривают. Импульсные коды представляют двоичные данные импульсом определенной полярности либо перепадом потенциала определенного направления.

Потенциальный код (без возврата к нулю NRZ) (RS-232) – 2 уровня потенциала для представления 0 и 1. Метод обладает хорошей способностью распознавания ошибок (только 2 различных уровня потенциала), но не обладает средствами самосинхронизации (при передаче длинных последовательностей 0 или 1 сигнал не изменяется и приемник не в состоянии корректно определить количество символов, так как частоты генераторов никогда не бывают полностью идентичны).

Биполярный код с альтернативной инверсией(AMI, bipolar alternate mark invertion) – использует 3 уровня потенциала: отрицательный, нулевой и положительный. Ноль – отсутствие потенциала, единица – наличие потенциала, причем потенциал каждой новой единицы противоположен предыдущему.

Потенциальный код с инверсией при единице(NRZI)(FDDI, 100Base-FX). Используется 2 уровня потенциала. При передаче нуля уровень потенциала не изменяется, при передаче единицы он каждый раз изменяется на противоположный.

Биполярный импульсный код – единица представлена импульсом одной полярности, а ноль другой. Каждый импульс длиться половину такта. Хорошо самосинхронизируется.

Самый распространенный – Манчестерский код(Ethernet). Используется перепад потенциала (фронт импульса). Такт делится на две части. Информация кодируется перепадом потенциала в середине такта. Единица – перепад от низкого уровня сигнала к высокому. Хорошо самосинхронизируется.

Потенциальный 2B1Q (B-bit, Q-quarternary symbol)(ISDN)Каждые 2 бита передаются за 1 такт сигналом, у которого может быть 4 уровня. 00–-2,5В, 01–-0,833В, 11–+0,833В, 10–+2,5В

Таблица 8. Сравнение характеристик кодов

	Уровни сигнала	Ширина спектра	Синхронизация	Стоимость
Потенциальное NRZ		Основная гармоника f0 имеет достаточно низкую частоту (N/2 Гц), что приводит к узкому спектру.	Нет	Низкая
Биполярное импульсное AMI		На последовательности1 f0=N/2 На чередовании 0 и 1 f0=N/4. Полоса уже.	Лучше на последовательностях 1	Нужно увеличивать мощность передатчика для обеспечения 3-х уровней.
Биполярное импульсное		f=N при передаче только 0 или 1. Полоса широкая.	хорошая
Манчестерское		Полоса уже импульсного fср=3/4N	хорошая	Лучше, т.к. 2 уровня сигнала.
2B1Q		fср=N/4	Надо бороться с длинными последовательностями одинаковых бит.	Дороже из-за 4-х уровней, но быстрее.

Рис. 10 Способы дискретного кодирования данных

Логическое кодирование

Чтобы при передаче битовых последовательностей не было длинных последовательностей 0 или 1 применяют специальные методы. Избыточные коды и скремблирование.

Избыточные коды для NRZ

Код 4В/5В (применяется в FDDI и FastEthernet) заменяет исходные последовательности длиной 4 бита на последовательности длиной 5 бит. Буква В в названии означает, что для кодирования используется бинарный (binary) сигнал.

Избыточность: исходных символов – 16, результирующих – 32. Этот логический код используется при потенциальном физическом кодировании, которое чувствительно к длинной последовательности 0. Гарантируется, что в коде не будет более трех 0 подряд. Его избыточность 32/16=2. Накладные расходы(5-4)/4=25%

Символы	Служебные символы
0: 0000–11110	J: 11000
1: 0001–01001	K:10001
2: 0010–10100	Idle: 11111
…	Halt: 00100
F: 1111–11101

Похожая схема 8В/10В (избыточность1024/256=4. Накладные расходы (10-8)/8=25%) Обеспечивает стабильное соотношение 0 и1 на выходе. Используется для лазерных передатчиков (которые нагреваются).

Код 8В/6Т заменяет 8 бит на 6 сигналов, каждый из которых имеет 3 состояния (ternary). Избыточность этого кода выше: 8 бит позволяют представить 256 исходных символов, а результирующих символов 3⁶=729. Его избыточность 729/256=2,85.

Скремблирование для AMI

Это перемешивание исходной последовательность бит. В_i=А_iÅ В_i-3Å В_i-5

А_i – двоичная цифра исходного кода.

В_i – двоичная цифра результирующего кода, полученная в i-ый такт.

Восстановление: С_i=В_iÅ В_i-3Å В_i-5

Пример: исходная последовательность А (100000000) перейдет в В (10010110), где нет длинной последовательности 0

В1=А1=1

В2=А2=0

В3=А3=0

В4=А4Å В1=1

В5=А5Å В2=0

В6=А6Å В3Å В5=1

И т.д.