CC BY
114
His
К E S E А К С И
ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ
К вопросу кодирования информации в системах телекоммуникаций
Рассматриваются методы кодирования данных в системах телекоммуникаций. Приведена схема передатчика синхронного модема, а также схема включения скремблера и дескремблера в канал связи.
Ключевые слова: Информация, данные, кодирование, самосинхронизирующих коды, скремблирование.
Шевчук П.С., Трофименко К.В.,
Северо-Кавказский филиал Московского технического университета связи и информатики
В современных высокоскоростных системах передачи данных синхронизация передатчика и приемника достигается за счет использования самосинхронизирующих кодов (СК). Кодирование передаваемых данных с помощью СК заключается в том, чтобы обеспечить регулярные изменения (переходы) уровней сигнала в канале. Каждый переход уровня сигнала от высокого к низкому уровню или наоборот используется для подстройки приемника. Лучшими считаются такие СК, которые обеспечивают переход уровня сигнала не менее одного раза в течение интервала времени, необходимого на прием одного информационного бита. Чем чаще переходы уровня сигнала, тем надежнее осуществляется синхронизация приемника и увереннее производится идентификация принимаемых битов данных.
Наиболее распространенными являются следующие самосинхронизирующие коды:
1. NRZ-код (Non Return to Zero — без возврата к нулю);
2. RZ-код (Return to Zero — код с возвращением к нулю);
3. PE-код (Phase Encode — фазовое кодирование) или манчестерский код;
4. AMI (Alternate Mark Inversion) — биполярный код с поочередной инверсией уровня.
Возможность кодирования сообщения 1010011 с помощью перечисленных кодов иллюстрируется с помощью рис. 1.
NRZ-код использует следующее представление битов:
1. Биты 0 представляются нулевым напряжением (0 В);
2. Биты 1 представляются напряжением +11 В.
Этот способ кодирования является наиболее простым и служит базой для построения более совершенных алгоритмов кодирования. Однако при передаче длинных серий одноименных битов (единиц или нулей) уровень сигнала остается неизменным для каждой серии, что существенно снижает качество синхронизации и надежность распознавания принимаемых битов (может произойти рассогласование таймера приемника по отношению к поступающему сигналу и несвоевременный опрос линии).
RZ-код. Цифровые данные в этом коде представляются следующим образом:
1. Биты 0 представляются нулевым напряжением (0 В);
2. Биты 1 представляются значением +11 В в первой половине бита и нулевым напряжением (0 В) — во второй половине бита.
To a question of coding of information in systems of telecommunications
Shevchuk P.S., Trofimenko K.V.,
North-Caucasian branch of the Moscow technical university relationship and informatics
Abstract
Consider methods of encoding data in the systems of telecommunications. A scheme of the transmitter synchronous modem, as well as the circuit of the scrambler and descrambler in a communication channel.
Keywords: information, data, coding, self-synchronizing codes, scrambling.
Наукоёмкие технологии в космических исследованиях Земли № 2-2011
His
RESEARCH
РИс. 2. Схема передатчика синхронного модема
TELECOMMUNICATIONS
Этот способ имеет два преимущества по сравнению с кодированием NRZ:
1. Вдвое меньший средний уровень напряжения в линии (1/4U вместо 1/2U);
2. Для последовательности с равным числом 1 и 0;
3. При передаче непрерывной последовательности 1 сигнал в линии не остается постоянным.
Как видно из рис. 1, даже такой простой линейный код как RZ использует большее число переходов уровня сигнала, чем исходный информационный сигнал в соответствующем коде NRZ. Для информационной последовательности, представленной на рис. 1, в коде NRZ имеется всего 4 перехода, в то время как в RZ уже насчитывается 7 переходов уровня сигнала.
При фазовом кодировании (PE-код) используется следующее представление битов:
1. Биты 1 представляются значением +U в первой половине и напряжением -U — во второй половине;
2. Биты 0 представляются значением -U в первой половине и напряжением +U — во второй половине.
Аналогичный код, в котором символ 1 передается двоичной парой 10, а символ 0 — парой 01, называется кодом Манчестер II. Таким образом, манчестерский код обеспечивает изменение уровня сигнала при представлении каждого бита, а при передаче серий одноименных битов — двойное изменение. Обладает хорошими синхронизирующими свойствами. Применяется в технике записи информации на магнитных лентах, при передаче по коаксиальным и оптоволоконным линиям.
AMI-код использует следующие представления битов:
1. Биты 0 представляются нулевым напряжением (0 В);
2. Биты 1 представляются поочередно значениями -U или +U (В).
AMI-код обладает хорошими синхронизирующими свойствами при передаче серий единиц и сравнительно прост в реализации. Недостатком кода является ограничение на плотность нулей в потоке данных, поскольку длинные последовательности нулей ведут к потере синхронизации.
Передаваемые DTE данные поступают в передатчик модема, который выполняет операции скремблирования, относительного кодирования, синхронизации и модуляции. Он также может выполнять и внесение предыскажений,
частично компенсирующих нелинейности амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик (АЧХ и ФЧХ) используемого телефонного канала. Схема передатчика приведена на рис. 2.
Схема синхронизации передатчика получает сигнал опорной частоты от внутреннего генератора или DTE, например, через 24-й контакт интерфейса RS-232. В этом случае модем обязан поддерживать синхронный режим работы не только по каналу с удаленным модемом, но и по интерфейсу DTE-DCE.
Скремблер предназначен для придания свойств случайности (рандомизации) передаваемой последовательности данных ФМ сигналов и производных от них. Применение относительного кодирования позволяет решить проблему неоднозначности фазы восстановленной на приеме несущей.
Модулятор служит для формирования аналогового сигнала в полосе частот телефонного канала 300 — 3400 Гц.
Эквалайзер позволяет компенсировать нелинейные искажения, вносимые каналом передачи.
Приемник модема в свою очередь содержит адаптивный эквалайзер со схемой управления, модулятор с задающим генератором, демодулятор, относительный декодер, дес-кремблер и схему синхронизации (рис.3).
Модулятор приемника и задающий генератор позволяют перенести спектр принимаемого сигнала (300-3400 Гц) в область более высоких частот, для облегчения операций фильтрации и демодуляции.
Относительный декодер и дескремблер выполняют операции, обратные операциям в кодере и скремблере передатчика.
Схема синхронизации выделяет сигнал тактовой частоты из принимаемого сигнала и подает его на другие узлы приемника.
Адаптивный эквалайзер приемника состоит из линии задержки с отводами и набора управляемых усилителей с изменяемыми коэффициентами усиления. Адаптивность эквалайзера заключается в его способности подстраиваться под изменяющиеся параметры канала в течение сеанса связи. Причем, подстройка параметров канала осуществляется с помощью управляющих сигналов, вырабатываемых в схеме управления эквалайзера по сигналам ошибки фазы, поступающих с демодулятора.
Для синхронной передачи двоичный сигнал должен удовлетворять двум основным требованиям:
1. Частота смены символов (1, 0) должна обеспечивать надежное выделение тактовой частоты непосредственно из принимаемого сигнала;
2. Спектральная плотность мощности пере-
Рис. 3. Схема приемника синхронного модема
High technologies in Earth space research № 2-2011
His
ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ
Рис. 4. Схема включения скремблера и дескремблера в канал связи
даваемого сигнала должна быть, по возможности, постоянной и сосредоточенной в заданной области частот с целью снижения взаимного влияния каналов.
Одним из способов обработки двоичных посылок, удовлетворяющим данным требованиям является скремблирование. Скремблиро-вание — это обратимое преобразование структуры цифрового потока без изменения скорости передачи с целью получения свойств случайной последовательности.
Скремблер реализует логическую операцию суммирования по модулю два исходного и псевдослучайного двоичного сигналов. Дес-кремблер выделяет из принятой последовательности исходную информационную последовательность. На рис. 4 показано включение скремблера и дескремблера в канал связи.
Основным узлом скремблера является генератор псевдослучайной последовательности
(ПСП), выполненный в виде линейного п-кас-кадного регистра с обратными связями, который формирует последовательность максимальной длины 2п-1. Различают два основных типа скремблеров — дескремблеров: самосинхронизирующиеся и с начальной установкой (аддитивные).
Особенностью самосинхронизирующего скремблера является то, что он управляется самой скремблированной последовательностью, т. е. той, которая поступает в канал. При потере синхронизма между скремблером и дескремб-лером время его восстановления не превышает числа тактов, равного числу ячеек регистра скремблера.
На приемной стороне выделение информационной последовательности происходит путем сложения по модулю 2 принятой скремблированной последовательности с псевдослучайной последовательностью, формируемой
регистром сдвига.
Одним из недостатков самосинхронизирующихся скремблеров—дескремблеров является присущее им свойство размножения ошибок.
Второй недостаток самосинхронизирующих скремблеров связан с возможностью появления на его входе так называемых "критических ситуаций", когда выходная последовательность повторяется с периодом, меньшим длины ПСП. Для предотвращения таких ситуаций в скремблере и дескремблере согласно рекомендациям ITU-T предусматриваются специальные дополнительные схемы контроля, которые выявляют периодичность элементов ПСП на входе приемника.
Недостатки, присущие самосинхронизирующимся скремблеру-дескремблеру, практически отсутствуют при аддитивном скремблиро-вании (рис. 5).
Однако при этом требуется предварительная идентичная установка состояний регистров скремблера и дескремблера. В скремблере с начальной установкой, как и в самосинхронизирующем скремблере, производится суммирование входного сигнала и ПСП, но результирующий сигнал не поступает на вход регистра. В дескремблере скремблированная последовательность также не проходит через регистр сдвига, поэтому размножения ошибок не происходит. Суммируемые в скремблере последовательности независимы, поэтому критических ситуаций не наступает.
Таким образом, отсутствие эффекта размножения ошибок и необходимость специальной защиты от нежелательных ситуаций делают способ аддитивного скремблирования предпочтительнее и экономически эффективнее, если не учитывать затрат на решение задачи взаимной синхронизации пары скремблер-дескрем-блер.
Литература
1. Шевкопляс Б.В. Скремблирование передаваемых данных. — Схемотехника, 2005. — №1.
2. Сухман С.М., Бернов А.В., Шевкопляс Б.В. Синхронизация в телекоммуникационных системах. Анализ инженерных решений. — М.: Эко-Трендз, 2003.
Скремблер
Рис. 5. Схема скремблирования с начальной установкой
Наукоёмкие технологии в космических исследованиях Земли № 2-2011
