-Закон:

А-закон (А=87.6) используется в европейских системах ИКМ и дает минимальный шаг квантования 2/4096, -закон используется в американских системах ИКМ (D1 с =100 и D2 с =255), давая минимальный шаг квантования 2/8159. Указанный под­ход позволяет добиваться отношения сигнал/шум (С/Ш) 30 дБ в динамическом диапазоне 48 дБ, что соответствует эквивалентной схеме кодирования с 13 битами на выборку.

§ Практические методы линейного кодирования потока данных в канале

Сформированная в результате мультиплексирования и выравнивания цифровая двоично-кодированная ИКМ последовательность подается в канал связи, на входе которого, как правило, используется устройство сопряжения с каналом, или интерфейсный блок, и собственно передатчик.

Учитывая, что канал, как среда передачи, может быть электрическим, оптическим или радиоканалом, полученную последовательность приходится еще, по крайней мере, дважды переко­дировать для оптимизации ее прохождения через интерфейс (интерфейсное кодирование) и ли­нию связи (линейное кодирование). Два других вида кодирования: помехоустойчивое кодирова­ние для обнаружения и исправления ошибок, возникающих в процессе передачи, а также шифро­вание данных, передаваемых такой последовательностью, здесь не рассматриваются.

Поток бит, полученный в результате квантования и двоичного кодирования (кодифика­ции), оптимален только с точки зрения уменьшения ошибок квантования, но непригоден для пе­редачи по каналу связи по ряду причин, основные из которых следующие:

• выходной цифровой поток имеет широкий спектр, что затрудняет его передачу по каналу связи с ограниченной полосой пропускания и осложняет процесс регенерации сигнала синхронизации, передаваемого в канале, особенно в случае восстановления потерянного синхронизма;

• спектр сигнала имеет значительную долю низкочастотных составляющих, которые могут интерферировать с составляющими передаваемого низкочастотного сигнала;

• спектр содержит большую постоянную составляющую, усложняющую фильтрацию напряжения сети питания.

Для оптимизации спектра сигнала, подаваемого в линию связи, используется так называе­мое линейное кодирование. Оно должно обеспечить:

• минимальную спектральную плотность на нулевой частоте и ее ограничение на нижних частотах;

• информацию о тактовой частоте передаваемого сигнала в виде дискретной составляющей, легко выделяемой на фоне непрерывной части спектра;

• достаточно узкополосный непрерывный спектр для передачи сигнала через канал связи без искажений;

• малую избыточность для повышения относительной скорости передачи в канале связи;

• минимально возможные длины блоков повторяющихся символов ("1" или "0") и диспаритетность (неравенство числа "1" и "0" в кодовых комбинациях).

Для двоичного кодирования число уровней входного сигнала m = 2, а число уровней вы­ходного сигнала n может быть 2 (двухуровневое кодирование) или 3 (трехуровневое кодирова­ние). Двухуровневое кодирование может быть однополярным (+1, 0) и двухполярным, или симметричным (+1, -1), а трехуровневое - однополярным (+2, +1, 0) и двухполярным (+1, 0, -1).

Например, оптические линии связи требуют однополярных методов кодирования, тогда как электрические линии связи могут использовать как однополярные, так и двухполярные мето­ды кодирования.

В различных методах кодирования "1" может быть представлена положительным прямо­угольным импульсом на полную или на половинную длину двоичного интервала, или переходом с "+1" на "0" или "-1" (ступенькой вниз) в центре интервала, а "0" - соответствующей длины отри­цательным импульсом, или отсутствием импульса, или обратным переходом с "-1" или "0" на "+1" (ступенькой вверх) в центре интервала.

Для ограничения длины блоков повторяющихся символов типа "11...11" или "00...00" ис­пользуется инверсия ("обращение" или незапланированное (преднамеренное) изменение) поляр­ности импульсов регулярной кодовой последовательности, обозначаемая ниже буквой "V". На­ряду с инверсией иногда используются вставки (дополнительные символы определенной поляр­ности, обозначаемые ниже буквой В), позволяющие сохранить паритет кодовой комбинации.

Алгоритмы кодирования в большинстве случаев просты и могут быть описаны словесно, однако исчерпывающее описание дается направленным графом состояний, описывающим множе­ство всех возможных состояний и переходов из одного в другое.

На рис. приведены некоторые линейные коды и использованы такие обозначения:

а) - исходная двоичная последовательность;

б) - однополярный код без возвращения к нулю - NRZ;

в) - двухполярный NRZ или симметричный телеграфный код;

г) - двухполярный код с возвращением к нулю - RZ;

д) - код с поразрядно-чередующейся инверсией - ADI;

е) - код с чередующейся инверсией на "1" - AMI;

ж) - код с инверсией кодовых комбинаций - CMI;

з) - двухполярный двухуровневый код Миллера;

и) - биполярный код высокой плотности порядка 3 - HDB3;

к) - однополярный эквивалент кода HDB3 в оптической линии связи.

Рис. Примеры линейного кодирования в канале связи

§ Особенности кодирования линейных сигналов. Технология кодирования 2B1Q

В цифровых системах передачи для АЛ широкое приме­нение нашли алфавитные (блочные) коды. Основное на­значение алфавитных кодов состоит в уменьшении тактовой частоты , что связано с использованием кодов с основанием M > 2. При таком кодировании двоичный сигнал разбивается на блоки, состоящие из элементов. Каждому блоку по опреде­ленному правилу ставится в соответствие блок, содержащий k элементов кода с основанием M, причем всегда .

Для алфавитных кодов принято условное обозначение , где и k указывают на число элементов в исходном и результирующем блоках. В (Binary) означает, что в исход­ном блоке используется двоичное счисление (код с основа­нием 2). Вместо М используются буквы, определяющие ос­нование кода в результирующем блоке: Т (Ternary) - троич­ное, Q (Quaternary) - четверичное.

Например, в коде ЗВ2Т (табл.) двоичный сигнал разбивается на исходные блоки, состоящие из трех элементов. Каждому исходному блоку со­ответствует результирующий блок, содержащий два элемен­та троичного кода.

Правило кодирования для кода ЗВ2Т

Исходный блок	000	001	010	011	100	101	110	111
Результирующий блок	02	12	01	22	11	10	21	20

Очевидно, что уменьшение числа элементов k в резуль­тирующем блоке по сравнению с числом элементов в исход­ном блоке приводит к уменьшению тактовой частоты передачи информационного потока по линии связи, а, следовательно, дает возможность повышения скорости передачи двоичных сигналов при той же занимаемой полосе частот. Здесь коэффициент уменьшения тактовой частоты К_м = / k.

Главными факторами, влияющими на качество работы оборудования, являются параметры линии связи. Перечислим ключевые из них для технологий xDSL.

1. Ослабление сигнала. Затухание сигнала в кабельной линии зависит от типа кабеля, его длины и частоты сигнала. Чем длиннее линия и выше частота сигнала, тем выше зату­хание.

2. Нелинейность АЧХ. Как правило, кабельная линия свя­зи представляет собой фильтр низких частот.

3. Перекрестные наводки на ближнем и дальнем оконча­ниях (NEXT, FEXT).

4. Радиочастотная интерференция.

5. Групповое время задержки. Скорость распростране­ния сигнала в кабеле зависит от его частоты, таким образом, даже при равномерной АЧХ форма импульса при передаче искажается.

Основу оборудования xDSL составляет линейный тракт, то есть способ кодирования (или модуляции) цифрового пото­ка для его передачи по медной линии. Например, технология HDSL предусматривает использование двух технологий коди­рования линейных сигналов - 2B1Q и САР. Обе они основаны на цифровой обработке передаваемого и принимаемого сигна­лов так называемым сигнальным процессором и обладают ря­дом общих принципов.

Для снижения частоты линейного сигнала, а, следователь­но, повышения дальности работы в технологии HDSL примене­на адаптивная эхокомпенсация. Суть ее в том, что прием и пе­редача ведутся в одном спектральном диапазоне, разделение сигналов осуществляет микропроцессор. Приемник модема HDSL вычитает из линейного сигнала сигнал собственного пе­редатчика и его эхо (сигнал, отраженный от дальнего конца ка­беля или от места сочленения составного кабеля). Настройка системы HDSL под параметры каждой линии происходит авто­матически, оборудование динамически адаптируется к парамет­рам каждого кабеля, поэтому при установке аппаратуры или ее переносе с одного участка на другой не требуется каких-либо ручных настроек или регулировок.

Применение эхокомпенсации и снижение частоты ли­нейного сигнала позволило вести передачу в обоих направ­лениях не только по одной паре, но и в одном кабеле, что также является ключевым преимуществом технологии HDSL перед применяемыми ранее методами линейного ко­дирования HDB3 или AMI. Построенные до появления технологий DSL тракты Т1 или Е1, помимо уста­новки множества линейных регенераторов (через каждые 1000...1500 м), требовали прокладки двух кабелей, в одном из которых все пары задействовались под передачу, а в дру­гом - под прием.

Разработанная первой технология 2B1Q (2 Binary, 1 Quaternary) остается широко распространенной в западно­европейских странах и США. При ее использовании достигается передача двух битов за один тактовый интервал T. Следовательно, в этом случае скорость передачи, измеряемая в бит/с, в два раза превосходит скорость передачи, измеряемой в бодах (бод - это единица измерения скорости передачи двоич­ных символов, которая определяется как 1 / Т). Скорость в бит/с равна скорости в бодах, когда 1 бит передается за один такто­вый интервал.

Код 2B1Q изначально использовался в сетях ISDN для передачи потока 144 кбит/с, а затем также нашел примене­ние для передачи более высокоскоростных потоков. Код 2B1Q представляет собой модулированный сигнал, имеющий 4 уровня, то есть в каждый момент времени передается 2 би­та информации (4 кодовых состояния). Спектр линейного сигнала симметричный и достаточно высокочастотный (рис.). Присутствуют также низкочастотные и постоянные со­ставляющие.

Рис. Спектр и форма линейного сигнала кода 2B1Q

Рассмотрим, как влияют на передачу кода 2B1Q различные факторы.

В городских условиях создается большое количество низ­кочастотных наводок, например при пуске мощных электриче­ских машин (метро, трамваи и т.д.), электросварке, а также импульсных помехах в кабелях связи (при наборе номера, передаче сигналов сигнализации и т.д.). Комплексы БИС, реализующие технологию 2B1Q, являются достаточно чувствительными к ис­кажениям, так как сигнал имеет постоянную составляющую.

Наличие большого разброса частот в спектре сигнала 2B1Q вызывает необходимость решения проблем, связанных с групповым временем задержки. Микропроцессорная обработка помогает решить эту проблему засчет существенного услож­нения алгоритма обработки сигнала.

Спектр кода 2B1Q содержит высокочастотные составляю­щие, максимум энергии передается в первом «лепестке», шири­на его пропорциональна скорости на линии. Затухание сигнала в кабеле растет с увеличением его частоты, поэтому в зависимо­сти от требуемой дальности применяется одна из трех скоростей линейного сигнала (784 кбит/с, 1168 кбит/с или 2320 кбит/с). Технология 2B1Q предусматривает использование для передачи потока 2 Мбит/с одной, двух или трех пар медного кабеля. По каждой из пар передается часть потока (рис.) с вышеупо­мянутыми скоростями. Наибольшая дальность работы достига­ется при использовании трех пар (около 4 км по жиле 0,4 мм), наименьшая - при работе по одной паре (менее 2 км). Ввиду того что дистанция работы систем HDSL (кодирование 2B1Q), использующих одну пару, не удовлетворяет базовым требованиям по дальности, такие системы не нашли широкого распро­странения. Системы, работающие по трем парам, до сих пор достаточно широко используются, однако постепенно вытес­няются системами, применяющими технологию САР и обеспе­чивающими ту же дальность по двум парам. Наибольшее рас­пространение из систем с кодированием 2B1Q имеют системы, работающие по двум парам. Дальность работы таких систем (около 3 км по жиле 0,4 мм) обеспечивает решение подавляю­щего большинства задач доступа в странах Западной Европы и США, а длина АЛ в 80 % случаев не превышает 3 км.