Мой сайт

Характеристика линейных сигналов используемых в компьютерных сетях

 

Для передачи по линейному тракту информационный двоичный сигнал преобразуется в некоторый специ­альный цифровой сигнал, параметры которого согласованы с характеристиками используемых направляющих систем и отвечают ряду специфических требова­ний:

1. Энергетический спектр цифровых сигналов, передаваемых по линии, должен быть сосредоточен в относительно узкой полосе частот при отсутствии постоянной составляющей (вне зависимости от статистических свойств исходной двоичной информации). Это позволяет уменьшить межсимвольные искажения, возникающие вследствие ограничения полосы частот линейного тракта в области как нижних (например, за счет наличия симметрирующих трансформаторов), так и верхних (например, за счет ограничения полосы частот с целью оптимизации отношения сигнал/тепловой шум.

2. Структура цифрового сигнала в линии должна обеспечивать возможность простого и надежного выделения тактовой частоты в каждом линейном регенера­торе.

3.  Необходим постоянный достаточно простой контроль за возможными ошибками в линейном тракте без перерыва связи.

4.  Используемые в линии коды не должны приводить к существенному раз­множению ошибок, иметь достаточно простую аппаратурную реализацию.

Оценивая возможность передачи по цифровому линейному тракту исходной последовательности униполярных двоичных информационных символов, форми­руемых на выходе АЦП, нетрудно установить, что такая последовательность не удовлетворяет большинству из отмеченных требований.

В общем виде сигнал, передаваемый по линейному тракту, можно предста­вить в следующем виде:

                                                                

 

 

где п—порядковый номер символа;

- k -е значение символа

т- число уровней кода;

U₁(t) - функция, описывающая форму импульсов. Для двоичного кода U^(k) принимает два значения U⁽¹⁾=0, U⁽²⁾ =1, для троичного сигнала U⁽¹⁾ =-1/2, U⁽²⁾= 0, U⁽³⁾ =+1/2.

Для симметричных кодов U_cp = 0, и тогда половина уровней принимает по­ложительные значения, а другая половина — отрицательные, а при нечетном чис­ле уровней один из них (средний) принимает значение 0. При этом значения  появляются с определенными вероятностями Р[], которые зависят от стати­стических свойств исходной двоичной последовательности и от свойств преобра­зователя двоичного кода в линейный.

Среднее значение сигнала можно определить следующим образом:

 

.

 

Статистические свойства коэффициентов  и спектр, соответст­вующий форме используемых импульсов, характеризуют свойства сигнала в ли­нии. Поэтому формирование требуемого энергетического спектра может быть осуществлено соответствующим изменением структуры импульсной последова­тельности и выбором импульсов нужной формы.

Учитывая, что на вероятности появления символов исходного двоичного сигнала не могут быть наложены ограничения, код, используемый в линии, должен обладать некоторой избыточностью, позволяющей удовлетворить дополнительные требования.

Будем считать элементом видеоимпульсного сигнала любое возможное со­четание видеоимпульсов и пауз внутри тактового интервала Т_c отведенного для передачи одного символа. Если принять, что импульсы имеют пря­моугольную форму, их длительность равна T_с или T_с/2, передний фронт совпадает с началом или серединой тактового интервала, а амплитуда равна U/2, то возмож­ное число разнотипных элементов видеоимпульсных сигналов U_k(t) равно девяти (рис. 2.3).

При передаче 1 и 0 исходной информации может использоваться комбина­ция двух любых элементов видеоимпульсного сигнала U_i(t)  и U_j(t). В этом слу­чае число двоичных видеоимпульсных сигналов С₉²=36. Кроме того, могут ис­пользоваться многоэлементные видеоимпульсные сигналы (передача одного сим­вола информации осуществляется с помощью нескольких элементов), а также многопозиционная (многоуровневая) модуляция отдельных элементов (например, для каждого элемента предусматривается несколько градаций амплитуды). Таким образом, видеоимпульсные сигналы отличаются весьма большим многообразием.

Однако следует учесть, что далеко не все видеоимпульсные сигналы отве­чают требованиям, предъявляемым к цифровым сигналам, предназначенным для передачи по линии. Вне зависимости от конкретных условий реализации линей­ного тракта аппаратуры передачи данных сравнение цифровых сигналов удобно производить по потенциальной помехоустойчивости при идеальных условиях, ко­торая зависит от «эквивалентной» мощности Pэ элементов этого сигнала U_i(t) и U_j(t), т.е.

 

.                                                              (2.2)

 

 

Так, при использовании U_i(t) кодирование может заключаться в изменении амплитуды без изменения полярности. Такой код называют потенциальным без возращения к нулю NRZ (Non Return to Zero). Находит применение так называемый относительный код NRZ. В этом коде ноль передается таким же потенциалом, который передавался в предыдущем такте, а при передаче единицы потенциал изменяется. Этот код называют потенциальным с инверсией при единице NRZI (Non Return to Zero Withones Inverted).

Аналогичен этому коду так называемый код MLT-3 (Multi Level Transmission-3), но в отличие от предыдущего он имеет три уровня (0,+1,-1) (рис.2.4). Уровень сигнала переходит в 0, если предыдущий уровень соответствует +1 или -1. Переход осуществляется в +1, если предыдущий уровень соответствовал 0 и последнее изменение произошло от -1 к 0.

Уровень сигнала переходит в -1, если предыдущий уровень соответствовал 0 и последнее изменение произошло от +1 к 0.

При передаче нулей сигнал не меняется.

U/2

                                                  

Рис.2.3.Элементы сигналов.

 

 

Рис.2.4. Код MLT-3

 

 

 

 

 

 

Табл. 2.2

Элементы сигналов (рис.2.3), используемые для передачи		Рэ	fT			KT
1	0
U1(t)	U2(t)	U2	0,5			0
U3(t)	U4(t)	U2	1			1
U5(t)	U9(t)	U2/8	0,5			1
U1(t)	U9(t)	U2/4		0,25			0
U5(t)/U6(t)	U9(t)	U2 /8		0,5			0
U1(t)/U2(t)	U4(t)	U2/2		0,62			0,5

      

Очевидно, предельной помехоустойчивостью будут обладать сигналы, эле­менты которых противоположны и удовлетворяют равенству . Та­ким образом, для сигналов, приведенных на рис.2.3, предельную помехоустойчи­вость можно получить только в двух случаях: при использовании элементов U₁(t) и U₂(t)  (имеем «моноимпульсный» сигнал) или  U₃(t)  и U₄(t)  (имеем «биимпульсный» сигнал). Все другие виды абсолютных двоичных видеоимпульсных сигналов имеют потенциальную помехоустойчивость на 2...9 дБ ниже предельно­го. Это относится и к большинству многоэлементных видеоимпульсных сигналов. Так, сигнал типа ЧПИ (AMI-Bipolar AlternateMark Inversion) (рис.2.5), в котором двоичный символ 1 передается чередованием элементов U₅(t) и U₆(t), а 0 — пассивной паузой U₉(t), имеет потенциальную помехоустойчивость на 9 дБ ниже предельной.

Кроме того, для оценки различных видов видеоимпульсных сигналов важ­ными являются параметры, оценивающие среднее значение тактовой частоты в цифровом сигнале и устойчивость ее признаков. В табл.2.2 для некоторых видов видеоимпульсных сигналов, кроме мощности Р_э, указаны также значения пара­метра , характеризующего среднее значение тактовой частоты в цифровом сиг­нале при равной вероятности передачи двоичных символов, и параметра К_Т  ха­рактеризующего устойчивость признаков тактовой частоты при различных пре­дельно     возможных     вероятностях     передачи     двоичных     символов,     т.е.

 

                                                         .

 

При использовании сигналов, у которых К_Т = 0, необходимо предусматри­вать некоторые дополнительные меры для повышения устойчивости признаков тактовой частоты с целью поддержания нормальных условий работы цепей такто­вой синхронизации устройств регенерации.

Из приведенных в таблице данных видно, что одним из наиболее эффектив­ных является биимпульсный сигнал, который, благодаря сбалансированности ка­ждого элемента U₃(t) и U₄(t), обладает предельной помехоустойчивостью и мак­симальным значением параметра устойчивости признаков тактовой частоты. Однако сигнал имеет относительно высокую минимальную верхнюю частоту спек­тра, которая определяется как первая гармоника периодической последовательно­сти элементов сигнала.

С целью повышения стабильности признаков тактовой частоты для боль­шинства видеоимпульсных сигналов требуется дополнительное преобразование цифровых сигналов путем изменения ее статистических свойств. Если измене­ние статистических свойств исходной двоичной последовательности происходит при не­которых определенных условиях (например, заданном количестве подряд сле­дующих 0), то в результате формируются так называемые неалфавитные коды. Если же статистические свойства исходной двоичной последовательности изме­няются путем ее деления на группы с постоянным числом тактовых интервалов и последующего преобразования этих групп по определенному алфавиту в группы символов кода с другим основанием счисления (больше двух), и, как правило, с новым количеством тактовых интервалов, то в результате формируются алфа­витные коды.

Использование алфавитных кодов позволяет не только повысить стабиль­ность признаков тактовой частоты, но и увеличить пропускную способность сис­темы передачи данных за счет соответствующего снижения значения тактовой частоты. Однако при этом требуется передача признаков, достаточных для пра­вильного восстановления границ групп символов кода при декодировании. Для алфавитных кодов приняты следующие обозначения. В названии типа кода пВkM первое число п указывает число символов в кодируемой двоичной группе. Дво­ичное основание счисления, используемое в исходной последовательности, обо­значается латинской буквой В (Binary). Второе число k указывает на число сим­волов в группе кода, а последняя буква (или буквы) отражает новое основание счисления М: Т - троичное (Ternary), Q - четверичное (Quaternary), QI — пя­тиричное (Quinary), S — шестиричное (Sextenary), H — семиричное (Heptanary) и т. д. В соответствии со сказанным тип кода ЗВ2Т указывает, что каждая группа из трех двоичных символов преобразуется в соответствующую группу из двух троичных символов. Так как в этом случае используются коды с основанием М>2, то требуется соответствующее увеличение отличительных признаков, т. е. сигнал должен быть многопозиционным. Например, при формировании k-ичных символов можно использовать k любых элементов видеоимпульсных сигналов (см. рис. 2.3), либо один из них, но с k  значениями амплитуды, либо оба указанных способа в комбинации.

Алфавитное кодирование характеризуется избыточностью преобразования двоичной информации (2ⁿ <М^k), что обеспечивает выполнение условия независимой передачи групп двоичных символов сочетаниями (группами) М-ичного кода. Сравнение алфавитных кодов обычно проводится по следующим параметрам: числу групп двоичных символов 2ⁿ; числу групп символов кода М^k; коэффициенту изменения тактовой частоты  К_м=п/к; избыточностью кода , предельному коэффициенту снижения тактовой частоты

 

 

Как указывалось, отмеченные выше проблемы передачи цифрового сигнала по линейному тракту могут быть решены введением избыточности в линейный сигнал либо путем увеличения скорости передачи при сохранении основания ко­да, равного двум, либо за счет использования некоторых видов многоуровневых сигналов (при этом, как будет показано ниже, скорость передачи может остаться неизменной или несколько уменьшиться).

В соответствии с рекомендациями МККТТ помимо хорошо известных ко­дов ЧПИ (AMI) и КВП-3, в системах передачи данных используются коды типов BnZS, CMI и др.

Код B3ZS является модифицированным квазитроичным и называ­ется биполярным с замещением трех нулей. Символы логической 1 имеют дли­тельность, равную половине тактового интервала, и попеременно изменяющуюся полярность (т. е. передаются элементы U₅(t) или U₆(t), показанные на рис.2.4.а), а логический 0 передается элементом U₉(t) (пассивная пауза). Исключение правила чередования полярностей имеет место только в том случае, если в цифровом сиг­нале появляются три (или более) подряд следующих символов 0. В коде B3ZS ка­ждая группа из трех последовательных нулей заменяется комбинацией B0V или 00V, где В — импульс, отвечающий правилу чередования полярности логических 1, V — импульс, нарушающий правило чередования полярности единиц. Выбор одной из указанных замещающих комбинаций (B0V или 00V) производится с та­ким расчетом, чтобы число импульсов вида В между соседними импульсами вида V было нечетным.

На практике находит применение также код B6ZS, в котором аналогичным образом замещаются шесть подряд следующих символов 0 (используется комби­нация вида 0BV0BV).

Возможны ситуации, когда возникновение в линейном сигнале одиночной ошибки приводит на приеме к размножению ошибок при преобразовании кода в линии в двоичный. При этом в зависимости от типа кода в линии и конкретной ситуации вместо одной ошибки в линейном сигнале могут возникнуть две, три и более ошибок в восстановленном двоичном сигнале. Например, если при исполь­зовании кода B3ZS в группе символов ВОВ, соответствующей последовательности двоичных символов 101, произойдет ошибка в третьем символе, т. е. возникнет комбинация B0V, то на выходе преобразователя кода B3ZS в двоичный сигнал бу­дет сформирована последовательность 000. Таким образом, вместо одной ошибки в линейном сигнале появятся две ошибки в восстановленном двоичном сигнале.

В отличие от кодов BnZS в парно-избирательном троичном (ПИТ) коде осуществляется не замещение серии пробелов, а преобразование символов всей двоичной последовательности. Так, в модифицированном ПИТ коде символы передаваемой двоичной последова­тельности группируются попарно и преобразуются в кодовые группы троичного сигнала. Для передачи каждой из групп двоичных сим­волов (кроме групп 10 и 01) предусматриваются два набора (алфавита) троичных символов (табл.2.3). Выбор одного из них в каждой конкретной ситуации зависит от теку­щего значения цифровой суммы символов кода, что обеспечивает устранение по­стоянной составляющей из спектра сигнала и сокращение возможного числа под­ряд следующих нулей до двух. Для правильного восстановления (декодирования) сигнала на приеме может быть использован метод статистической синхронизации, учитывающий, что появление в линейном сигнале любой неиспользуемой троич­ной пары (+1 + 1, 00, —1—1) указывает на отсутствие синхронизма по кодовым троичным группам.

Весьма перспективным следует признать использование алфавитных кодов типа пВкМ. Поскольку в этих кодах общее число различных групп двоичных символов (2ⁿ) обычно меньше возможного числа групп М-ичных символов (М^k), то проблема их формиро­вания заключается в том, чтобы ввести такое соответствие между исходной ин­формацией и кодом, которое обеспечивало бы получение необходимых свойств передаваемого сигнала и не порождало бы значительных технических трудностей при реализации. При этом, как правило, применяется принцип смены мод, кото­рый заключается в следующем. В процессе преобразования исходного двоичного сигнала используется не один, а несколько алфавитов, а выбор в каждом конкрет­ном случае определенного алфавита (моды) осуществляется на основе анализа не­которого числа предшествующих символов с учетом текущего значения цифро­вой суммы символов кодовой последовательности. Таким образом, одна и та же группа исходных двоичных символов может быть передана различными группами кода nBkM. Алфавиты подбираются так, чтобы различные моды, используемые для передачи одной и той же двоичной группы, могли отклонять цифровую сумму в сторону как увеличения, так и уменьшения. Выбирая соответствующие моды, добиваются того, чтобы цифровая сумма символов последовательности изменя­лась в достаточно узких пределах, по возможности близких к нулю. Это обеспе­чивает уменьшение мощности низкочастотных составляющих в спектре переда­ваемой последовательности.

При использовании кодов типа пВкМ любая одиночная ошибка вызывает либо новое нарушение чередования полярностей, либо пропадание ранее введен­ного нарушения закона чередования, в результате чего происходит некомпенси­рованное нарушение полярностей импульсов в линейном тракте. Отмеченное об­стоятельство позволяет относительно просто контролировать верность передачи информации в линейном тракте.

Следует отметить, что в ряде практических случаев могут найти примене­ние и биимпульсные сигналы, обладающие некоторыми важными достоинствами: высокой помехозащищенностью; возможностью введения пороговых устройств с номинальным пороговым напряжением, равным нулю; простотой преобразования двоичного сигнала в биимпульсный; возможностью выделения тактовой частоты вне зависимости от статистических свойств исходной двоичной последовательно­сти и др. Однако, частота следования импульсов биимпульсного сигнала практи­чески вдвое превышает частоту следования импульсов в исходной двоичной последовательности, поскольку при формировании такого сигнала каждый символ исходной двоичной последовательности преобразуется в пару разнополярных импульсов (вида U₃(t) или U₄(t), рис. 2.3).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.5. Структура кода

 

Табл. 2.3

 

 

Двоичный сигнал	Сигнал модифицированного ПИТ кода
	вариант	вариант
	«+»	«—»
11	+ 1       0	0         -1
10	+1       -1	+1       -1
01	-1       +1	-1       +1
00	0        +1	-1         0

Наибольшее распространение получили абсолютный (АБС) и относитель­ный (ОБС) биимпульсные сигналы. При формировании АБС вместо каждого единичного символа исходной двоичной последовательности передается элемент U₃ (рис.2.5), а вместо каждого нулевого символа исходной двоич­ной последовательности - элемент U₄(t). При формировании ОБС, передается биимпульсный элемент (U₃(t) или U₄(t)) одинаковый с предыдущим при появ­лении двоичной единицы и противоположный предыдущему при появлении дво­ичного нуля (рис. 2.4).

Из алфавитных кодов в компьютерных сетях наибольшее распространение получил код 2В1Q, при использовании которого два двоичных символа заменяются одним символом с основанием четыре. Для того, чтобы один символ содержал информацию о состоянии двух двоичных разрядов, при формировании сигнала изменяется как его полярность, так  и амплитуда.

В коде 2В1Q амплитуда сигнала может принимать два значения. В векторном виде сигнал представлен на рис.2.5. На этом рисунке показано информационное содержание каждого вектора и амплитуда в вольтах. Информационное содержание может быть другим, но с целью повышения  помехоустойчивости, должно удовлетворять следующему требованию: информационное содержание двух соседних векторов должно отличаться на один разряд.  Для обеспечения одинаковой помехоустойчивости при передаче любой информации, расстояние между концами любых соседних векторов должно быть одинаковым. На рис. 2.5 это расстояние равно двум.

В качестве примера на рис.2.6 приведены эпюры напряжений для двоичного кода и кода 2В1Q с учетом данных рис. 2.6.

Для данного кода коэффициент снижения тактовой частоты К_М=log₂M=2. Избыточность кода равна r = 0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.2.6. Векторная диаграмма

 

В коде 4В5В четыре двоичных символа заменяются пятью двоичными. Результирующие кодовые комбинации имеют 32 варианта, а исходящих только 16. Поэтому можно выбрать 16 таких комбинаций, которые не содержат большого количества нулей. В этом коде гарантируется, что не встретится подряд более трех нулей.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.2.7. Эпюры напряжения

 

В коде 8В6Т для кодирования 8 бит исходной последовательности используется шесть сигналов троичного кода. Кодовые комбинации троичного кода имеют 729 вариантов, а двоичных – 256. Из 729 вариантов можно выбрать 256 таких, которые удовлетворяют требованиям по порядку следования 1 и 0.