Методы кодирования цифровых сигналов

При цифровом кодировании информации различают потенциальные и импульсные коды. В потенциальных кодах для представления логических единиц и нулей используется только потенциал сигнала. Импульсный код представляет двоичные данные либо импульсами различной полярности, либо фронтом сигнала – положительным или отрицательным его перепадом.

Наиболее простым способом потенциального кодирования является потенциальный код без возвращения к нулю (NoneReturntoZero, NRZ). Такой способ кодирования используется внутри компьютера. Этот способ прост в реализации и хорошо защищен от ошибок (благодаря двум резко отличающимся состояниям сигнала), однако не обладает свойством самосинхронизации. При передаче длинной последовательности единиц или нулей сигнал на линии не изменяется, поэтому приемник может неправильно определить, какое же количество единиц или нулей было принято. Даже при наличии высокоточного тактового генератора приемник может ошибиться, так как частоты двух генераторов никогда не бывают абсолютно идентичными. Такая ошибка приведет к ошибке в целый такт и неправильному считыванию значения бита.

От этого недостатка свободен манчестерский код (manchester) широко используемый в локальных сетях. Единица кодируется перепадом напряжения от низкого уровня к высокому, а ноль – обратным перепадом. Так как сигнал изменяется по крайней мере один раз за один такт, манчестерский код обладает хорошим свойством самосинхронизации. У него так же величина постоянной составляющей минимальна, но при этом спектр сигнала существенно сдвинут в область высоких частот по сравнению с кодомNRZ.

Метод физического кодирования NRZI - NonReturntoZeroInverttoones - метод без возврата к нулю с инвертированием для единиц. Этот метод представляет собой модификацию метода кодирования NRZ. В методе NRZI также используется два уровня потенциала сигнала, но потенциал, используемый для кодирования текущего бита зависит от потенциала, который использовался для кодирования предыдущего бита (так называемое, дифференциальное кодирование). Если текущий бит имеет значение 1, то текущий потенциал представляет собой инверсию потенциала предыдущего бита, независимо от его значения. Если же текущий бит имеет значение 0, то текущий потенциал повторяет предыдущий. Данный метод кодирования сочетает в себе достоинство самосинхронизации и обладает более узким спектром по сравнению с рассмотренными выше методами кодирования.

Еще более лучшими электромагнитными характеристиками обладает метод кодирования MultiLevelTransmission –3 (MLT-3). Метод MLT-3 использует потенциальные сигналы двух полярностейи основывается на циклическом переключении уровней -1, 0, +1, 0. Единице соответствует переход с одного уровня сигнала на следующий. Так же как и в методе NRZI при передаче «нуля» сигнал не меняется. 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 в качестве среды передачи медных проводов.

MLT-3

NRZI

Manchester

NRZ

1    0         1   0   0    1   1   1    0   1

MLT-3

NRZI

Manchester

NRZ

Логическое кодирование

Для улучшения характеристик потенциального кода может применяться логическое кодирование. Цель логического кодирования – заменить длинные последовательности единиц и нулей на последовательности с чередованием. Одним из методов логического кодирования является код 4 B/5 B. Он заменяет каждую последовательность длиной 4 бита последовательностью в 5 бит. При этом из 32 результирующих комбинаций можно выбрать 16 таких, которые не содержат большого количества повторяющихся нулей и единиц. Остальные комбинации являются запрещенными. При этом говорят, что способ кодирования является избыточным. Избыточность обеспечивает защиту от ошибок, если приемник принял избыточный код, то на линии произошло искажение сигнала. Кроме того, запрещенные коды иного используются для передачи служебной информации между передатчиком и приемником. Код 4B/5B обладает еще более узким спектром, чем манчестерский код, несмотря на то, что тактовая частота при кодировании 4B/5B увеличивается. Так, для передачи кодов 4B/5B со скоростью 100 Мбит/спередатчик должен работать с частотой 125 МГц.

Существуют логические коды, которые наоборот уменьшают количество бит в результирующей комбинации по сравнению с исходной. Код 8B/6T заменяет каждую последовательность длиной 8 бит последовательностью в 6 бит. Это делается для того, чтобы уменьшить тактовую частоту передатчика. При этом для кодирования используется сигнал с тремя состояниями. Избыточность кода 8B/6Т еще выше, чем у кода 4B/5B, так как на 256 исходных кодов приходится 3⁶=729 результирующих кодов.