требования к линейным кодам
Основные требования к линейным кодам оптических систем передач
Основные характеристики ВОСП – волоконно-оптических систем передачи (длина регенерационного участка, метод обработки сигналов, система контроля ошибок в регенераторах, помехозащищенность, искажение сигналов в линии и другое) в значительной степени зависят от выбора кода (метода кодирования) в линии.
Особенности построения линейных кодов для цифровых ВОСП зависят от физических свойств среды распространения сигналов. Оптическое волокно как среда передачи сигналов, а также источник излучения в передающем и фотодетектор в приемном оптических модулях предъявляют специфические требования к свойствам сигнала.
Так как импульсные посылки излучаемой оптической мощности могут быть только положительными или нулевыми, (интенсивность оптического излучения является по самой природе положительной величиной), то невозможно непосредственное использование биполярных кодов, применяемых при передаче информации по электрическим кабелям связи.
В ВОСП использование кода с основанием n>2 (многоуровневые коды) не нашло широкого применения. Причиной являются нелинейность модуляционной характеристики и температурная зависимость мощности излучателя, например, лазерного диода, что приводит к необходимости использования двухуровневых кодов. Таким образом, в ВОСП с прямым детектированием и применением модуляции по интенсивности света линейный сигнал в большинстве случаев представляет собой дискретное сообщение, выраженное в двоичном коде (n = 2, символы кода «1» и «0»), представляющее случайную последовательность импульсов одинаковой формы, следующих друг за другом через постоянные интервалы времени длительностью Т, называемые тактовыми интервалами. Такие сигналы носят название случайных сигналов с детерминированными тактовыми интервалами.
К линейным кодам ВОСП предъявляются следующие основные требования:
1. Непрерывная часть энергетического спектра кода должна иметь минимальную спектральную плотность на нулевой частоте, а также низкочастотные и высокочастотные составляющие. Ограничение спектра в области нижних частот связано в основном с требованием безыскаженной передачи принимаемого цифрового сигнала усилителем переменного тока фотоприемника, так как в противном случае для реализации оптимальных условий приема перед решающим устройством надо вводить дополнительное устройство, предназначенное для восстановления низкочастотной составляющей. Это усложняет и удорожает оборудование линейного тракта. Большое усиление при постоянном токе вызывает значительный дрейф постоянной составляющей. Это ограничение является очень жестким для систем, которые используют оптические приемники с высокой чувствительностью.
2.Линейный код должен содержать информацию о тактовой частоте передаваемого сигнала. В приемнике эта информация используется для восстановления фазы и частоты хронирующего колебания, необходимого для принятия решения пороговыми устройствами приемника и регенератора.
3.Непрерывная часть энергетического спектра должна иметь низкий уровень в области тактовой (либо кратной ей) частоты, используемой для синхронизации приема, так как чем меньше уровень непрерывной составляющей в области, выделяемой дискретной составляющей, тем меньше помехи для устройств выделения тактовой частоты.
4.Желательно, чтобы основная доля энергии непрерывной составляющей энергетического спектра была сосредоточена в относительно узкой части спектра, так как при прочих равных условиях, чем уже спектр, тем меньше искажается сигнал за счет ограничения полосы линейного тракта.
5.Процесс линейного кодирования не должен зависеть от статистики сигналов источника информации, и наоборот, код не должен налагать какие – либо ограничения на передаваемое сообщение и обеспечивать однозначную передачу сигналов с любой статистикой. Иначе говоря, код передачи должен отображать любую двоичную последовательность.
6.Алгоритм формирования сигнала должен позволять надежно контролировать качество (достоверность) передачи в процессе автоматической эксплуатации ВОСП путем контроля ошибок регенераторов.
7.Устройство кодирования, декодирования и контроля ошибок должны быть простыми, надежными и малоэнергоемкими с возможностью интеграции схемы.
8.Желательно, чтобы линейный код имел малую избыточность для снижения соотношения между скоростью передачи в линии и скоростью исходных двоичных сигналов и повышения эффективности ВОСП.
9.Линейный код не должен приводить к существенному размножению ошибок при декодировании.
10.Линейный код должен обеспечивать организацию дополнительных каналов для передачи служебной информации.
7.3 Линейные коды в оборудовании сети абонентского доступа
7.3.1 Требования к линейным сигналам
В различных видах аппаратуры xDSL, применяемой на сетях абонентского доступа, используют различные виды линейных сигналов.
Основные требования к линейным сигналам:
энергетический спектр передаваемых цифровых сигналов должен быть сосредоточен в относительно узкой полосе частот при отсутствии постоянной составляющей, что уменьшает межсимвольные искажения, повышает взаимозащищенность, обеспечивает возможность совместной параллельной работы с аналоговыми системами передачи. Это позволяет увеличить длину участка регенерации и повысить верность передачи;
возможность контроля над коэффициентом ошибок без перерыва связи.
Для формирования линейных сигналов в аппаратуре сетей абонентского доступа используют различные виды кодов:
двухполярный трехуровневый с инверсией полярности сигнала на каждой второй передаваемой единице (ЧПИ — код с чередованием полярности импульсов или AMI (Alternate Mark Inversion));
код с высокой плотностью единиц КВП-n (HDB-n — High Density Bipolar Code of n-th order) — неалфавитный код, называемый также модифицированным кодом ЧПИ (МЧПИ);
алфавитные коды 3B2T, 4B3T, 2B1Q;
7.3.2 Алфавитные коды
В алфавитных кодах статистические свойства исходной информации меняются путем деления этой информации на группы, а затем преобразования по определенному правилу (алфавиту) этих групп, в результате чего получаются группы символов кода с другим основанием счисления
и с новым числом тактовых интервалов. При этом передаются признаки границ символов кода для правильного восстановления на приеме.
В цифровых системах передачи для абонентских линий (АЛ) часто используются алфавитные коды 3B2T, 4B3T, 2B1Q. Первое число в названии обозначает число символов в кодируемой двоичной группе. Буква B (Binary) показывает, что для представления исходной информации используется двоичное счисление. Следующее число — это число символов в группе сформированного кода. Последняя буква в обозначении кода показывает кодовое основание счисления: T (Ternary) — троичное, Q (Quaternary) — четверичное.
Алгоритм формирования кода 4B3T на 2 моды приведен в таблице 7.
Поскольку двоичные комбинации из 4 бит требуют только 16 из 26 возможных троичных трехсимвольных комбинаций, то существует значительная гибкость в выборе троичных комбинаций. При этом, в основном, используются комбинации со сбалансированной текущей суммой.
В приведенном примере (таблица 7) в коде 4B3T используется два троичных алфавита, называемых модами. Положительная мода М+ содержит троичные комбинации с нулевой и положительной цифровой суммой. Отрицательная мода М содержит комбинацию с нулевой и отрицательной суммой. Комбинации с ненулевой цифровой суммой, соответствующие одной комбинации двоичного кода, взаимно инверсны в обеих модах.
Электронный учебно-методический комплекс по дисциплине ЦСП
2.2.Линейные коды цифровых телекоммуникационных систем ПЦИ
2.2. Линейные коды цифровых телекоммуникационных систем ПЦИ.
Требования к линейным кодам цифровых систем передачи ЦСП.
Вопрос выбора цифрового сигнала обеспечивающего необходимую помехозащищенность, сводится к подбору сигнала, спектр которого удовлетворяет определенным требованиям:
1.Энергетический спектр должен ограничиваться сверху и быть достаточно узким, чтобы снизить искажения I рода, которые приводят к (затягиванию) переднего фронта импульса и размытию заднего (рисунок 2.7.
Рис. 2.7 К понятию межсимвольных искажений.
2.Энергетический спектр не должен содержать постояной составляющей, мощность НЧ (низко частотных) составляющих должна быть мола. В этом случае снижаются искажения II рода, которые вызывают скол вершины импульсов и появление выбросов противоположной полярности (рисунок 2.7 б).
Искажения I и II рода называют межсимвольной интерференцией, т.е. перекритие межсивольных интервалов, что приводит к увеличению коэффициента ошибки.
3.В энергетическом спектре сигнала должна содержаться тактовая частота, что необходимо для упрощения устройств тактовой синхронизации УТС.
При формировании линейных сигналов ЦСП каждому подлежащему передаче двоичному цифровому символу “0” или “1” (или группе символов) ставится в соответствие элемент (или группа элементов) линейного сигнала, передаваемый за один тактовый интервал Т (или несколько тактовых интервалов). Алгоритм формирования цифрового линейного сигнала называется линейным кодированием. В этой связи цифровой линейный сигнал, полученный по определенному алгоритму линейного кодирования, часто называют просто: линейный код в ЦСП.
В общем случае, элементом линейного сигнала может быть любое сочетание импульсов и пауз внутри тактового интервала Т. Однако, в подавляющем большинстве практически важных случаев элементы цифровых линейных сигналов выбираются исходя из следующих ограничений: импульсы имеют прямоугольную форму и их длительность Т или Т/2; передний и задний фронты импульсов совпадают с границей либо серединой тактового интервала; амплитуда импульсов независимо от числа элементов одинакова и равна А/2.
При этих условиях количество элементов цифровых линейных сигналов равно 9 и показано на (рис. 2.8).
Рис. 2.8. Элементы цифрового линейного сигнала.
При формировании линейного сигнала следует обеспечить постоянство присутствия в последнем признаков тактовой частоты, которые определяются переходами от одного уровня к другому. Чем меньше частотность переходов зависит от статистических свойств передаваемой двоичной информации, тем стабильнее признаки тактовой частоты. Устойчивость признаков тактовой частоты определяется коэффициентом
где Р Т МИН и Р Т МАКС – минимальная и максимальная вероятности изменения модулируемого параметра цифрового линейного сигнала на тактовом интервале для элементов – изменение амплитуды А.
Величина Р Э определяет потенциальную помехоустойчивость конкретного линейного кода.
Таким образом, коэффициент относительной помехоустойчивости показывает на какую величину потенциальная помехоустойчивость цифрового линейного сигнала отличается от предельной. Так, например, для абсолютного биимпульсного сигнала
для линейного кода с импульсами “затянутыми” на тактовый интервал,
а для кода с ЧПИ аналогично получим
Сравнение показывает, что из рассмотренных линейных кодов, код с ЧПИ имеет наименьшую помехоустойчивость.
Одной из характеристик линейных кодов является понятие балансированности линейного сигнала, которая представляет собой алгебраическую сумму положительных и отрицательных элементов линейного сигнала. в так называемых балансных линейных кодах эта сумма за длительный промежуток времени стремится к нулю, при этом исчезают постоянная и низкочастотные составляющие в спектрах линейных сигналов. Примером идеально сбалансированного линейного кода является линейный биимпульсный сигнал, который сбалансирован на каждом тактовом интервале. Балансным кодом является также код с ЧПИ, а вот линейный код с импульсами “затянутыми на тактовый интервал” является небалансным.
Из анализа параметров линейных кодов можно сделать следующие выводы: изменение потенциальной помехоустойчивости составляет 9 дБ, при этом предельной помехоустойчивостью обладает биимпульсный сигнал.
Большинство линейных сигналов (кроме биимпульсного) имеют коэффициент устойчивости тактовой частоты К Т = 0 и поэтому требуются меры для повышения устойчивости признаков тактовой частоты.
С целью повышения стабильности признаков тактовой частоты необходимо дополнительное преобразование двоичной (бинарной) информации путем изменения ее статистических свойств. Такое преобразование двоичных информационных последовательностей может осуществляться при помощи алфавитного и неалфавитного кодирования, а также скремблирования.
Алфавитное кодирование заключается в делении последовательности двоичных символов на группы с постоянным числом тактовых интервалов и в последующем их преобразовании по определенному алгоритму в группы символов кода с новым основанием счисления и, преимущественно, с новым количеством тактовых интервалов. При алфавитном кодировании устанавливается соответствие каждой двоичной группы символов группе символов кода. При изменении частоты требуется передача признаков, достаточных при кодировании для восстановления границ (частот) групп символов кода. Алфавитное кодирование характеризуется избыточностью преобразования двоичной информации.
Алфавитные коды повышают стабильность признаков тактовой частоты и увеличивают пропускную способность ЦСП (снижают тактовую частоту).
Правило обозначения алфавитных кодов:
· первое число в названии типа кода указывает количество символов n в кодируемой двоичной группе;
· двоичное основание счисления отмечается латинской буквой В (Binary);
· второе число указывает на количество символов К в группе кода;
· последняя буква отражает новое основание счисления М: Т (Ternory) – третичное, Q (Quater) – четверичное и т.д.
Сравнение различных алфавитных кодов обычно производится по следующим параметрам.
2. Коэффициент изменения тактовой частоты
3. Избыточность линейного код
4. Предельный коэффициент снижения тактовой частоты (r = 0)
5. Балансированность линейного сигнала.
Количество кодовых таблиц (таблица соответствия групп двоичных символов группам символов кода с основанием М) для каждого типа кода весьма велико и равно числу перестановок:
К КТ = Р 2n = (2 n ) (2.16)
где Р – число перестановок.
Из алфавитных кодов наибольшее распространение нашли коды вида 1В 1В (коды с биимпульсными сигналами и с импульсами “затянутыми на тактовый интервал”), 1В 1Т (код с ЧПИ), 2В 2Т (попарно-избирательный троичный код), 3В 2Т; 4В 3Т; 5В 6В; 6В 4Т.
Требования к линейным кодам
Двоичные коды строятся с использованием только двух элементов. В литературе встречаются различные условные обозначения символов двоичного кода. Наиболее употребительные из них рекомендованы МСЭ-Т и представлены в Табл. 6.7.
При реализации кодов необходимо представлять их символы в виде элементов дискретного сигнала той или иной формы, удобной для выполнения последующих операций и передачи по линиям связи.
Формы цифровых сигналов, предназначенных для передачи по линии связи, получили наименование линейных кодов (ЛК). ЛК применяются для передачи данных без модуляции в первичной полосе частот, начинающейся с нуля. Иначе говоря, кадры цифровых систем передачи, сформированные в соответствии с правилами ПЦИ или СЦИ и представляющие собой обычные двоичные последовательности, перед подачей в линию связи подвергаются соответствующему преобразованию в линейном кодере.
Рассмотрим основные типы линейных кодов.
Смысл скремблирования состоит в получении последовательности, в которой статистика появления нулей и единиц приближается к случайной, что позволяет удовлетворять требованиям надежного выделения тактовой частоты и постоянной, сосредоточенной в заданной области частот спектральной плотности мощности передаваемого сигнала.
Заметим, что скремблирование широко применяется во многих видах систем связи для улучшения статистических свойств сигнала. Обычно скремблирование осуществляется непосредственно перед модуляцией.
Особенностью скремблера СС (Рис. 6.52) 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.
Рис. 6.52. Самосинхронизирующиеся скремблер и дескремблер
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.
Рис. 6.50. Аддитивные скремблер и дескремблер
Суммируемые в скремблере последовательности независимы, поэтому их период всегда равен наименьшему общему краткому величин периодов входной последовательности и ПСП и критическое состояние отсутствует. Отсутствие эффекта размножения ошибок и необходимости в специальной логике защиты от нежелательных ситуаций делают способ аддитивного скремблирования предпочтительнее, если не учитывать затрат на решение задачи фазирования скремблера и дескремблер. В качестве сигнала установки в ЦСП используют сигнал цикловой синхронизации.
12 Требования, предъявляемые к линейным кодам. Типы линейных кодов для цсп pdh.
Линейным называется код, в котором сигнал передается по линии связи.
Для уменьшения межсимвольных искажений применяются специальные линейные коды, к которым предъявляются следующие требования:
Сигнал в линейном коде должен быть ограничен по частоте сверху и снизу и занимать узкую полосу частот, что уменьшит межсимвольные искажения.
Спектр сигнала должен быть смещен в область более низких частот, где затухание линии меньше, а соответственно длина участка регенерации будет больше.
Сигнал в линейном коде должен обеспечивать выделение простыми методами тактовой частоты.
Линейный код должен обладать избыточностью для контроля коэффициента ошибок без перерыва связи.
Быть достаточно простым для практической реализации.
В качестве линейных кодов для систем передачи, работающих по проводным кабельным линиям, применяются следующие типы линейных кодов:
1 Код с чередующейся полярностью импульсов ЧПИ (AMI), у которого каждый последующий импульс имеет полярность, обратную предыдущему.
2 Код высокой плотности единиц КВП-3 (HDB-3), у которого полярность импульсов чередуется, если число подряд следующих нулей не больше трех. Серия из четырех нулей заменяется одной из вставок: 000V, B00V: где V – импульс, повторяющий полярность предыдущего; B – импульс, обратный по полярности предыдущему.
Вставка 000V применяется, если число предыдущих импульсов нечетное, а B00V – если число предыдущих импульсов четное.
Применение двух замещающих комбинаций позволяет уменьшить колебание цифровой суммы, то есть число положительных и отрицательных импульсов становится приблизительно одинаковым.
Модернизированный двоичный код без возвращения к нулю (МБВН), у которого информация о предаваемом сигнале заключена не в самих импульсах, а в фронтах, то есть каждый фронт, передний или задний, соответствует единице в исходном сигнале.
13 Функциональная схема регенератора. Принцип регенерации цифрового сигнала.
Регенератор предназначен для восстановления параметров искаженного линией цифрового сигнала. Восстановлению подлежат следующие параметры: амплитуда сигнала, длительность импульса, полярность, временное положение.
На выходе оконечного пункта ПК (преобразователь кода) формирует линейный код, который поступает в линию, при прохождении по линии происходит потеря энергии сигнала, искажение импульсов и воздействие помех, в результате для дальнейшей передачи сигнал становится непригодным и его необходимо регенерировать в регенераторе.
Сигнал поступает на ЛТр1 (линейный трансформатор), который гальванически разделяет линию и станцию и обеспечивает согласование входных сопротивлений для уменьшения коэффициента отражения. Затем сигнал поступает на КУс (корректирующий усилитель), который увеличивает амплитуду и корректирует фронты импульсов. Часть выходной мощности поступает в устройство автоматической регулировки, которое обеспечивает поддержание постоянной амплитуды на выходе усилителя при изменении затухания линии. В зависимости от требуемых пределов регулировки усиление изменяется: либо изменяя величину отрицательной обратной связи, либо изменяя затухание регулируемой искусственной линии, включенной на входе усилителя (пределы регулировки значительно больше).
В Тр1 (выходном трансформаторе) сигнал делится на два одинаковых противофазных сигнала, которые поступают на вход РУ (решающих устройств). На второй вход этих устройств поступают короткие импульсы с тактовой частотой. РУ имеет порог ограничения меньше которого сигналы на вход не воздействуют. Сигнал на выходе РУ появляется в том случае, если амплитуда на входе больше порога и совпадает по времени с тактовым импульсом. Выходным сигналом РУ включается формирователь ФВИ, восстанавливающий амплитуду и длительность импульса. Каждая из ветвей восстанавливает импульс одной полярности, а при суммировании в линию поступает двухполярный сигнал в линейном коде.
Так как линейный код не содержит тактовой частоты, то сигнал поступает на выпрямитель, выполняющий функцию умножителя. На выходе выпрямителя появляется составляющая с тактовой частотой, которая выделяется КУВ (контуром ударного возбуждения), имеющим большую добротность, что позволяет поддерживать колебания при наличии серии нулей. Эти колебания усиливаются Ус огр (усилителем ограничителем) и ФТИ (формирователь тактовых импульсов) формирует короткие импульсы, смещенные в сторону тактового интервала, где амплитуда сигнала максимальна. Малая длительность обеспечивает защиту от помех с амплитудой сигнала больше пороговой.
Для питания устройств регенератора с оконечного пункта по рабочим парам кабеля передается ток дистанционного питания, из которого в пр ДП (приемник дистанционного питания) формируется питающее напряжения. Из рисунка видно, что регенератор обеспечивает полное восстановление параметров цифрового сигнала в линейном коде. Качество работы регенератора определяется коэффициентом ошибок.
Под ошибкой понимается преобразование одного символа в другой, т.е.±1→0, 0→±1. Ошибки возникают при одновременном совпадении двух условий: амплитуда помехи больше порога ограничения, время действия помехи совпадает с тактовым импульсом.