ПИВК. Лабораторная работа N2

Методические указания по выполнению лабораторной работы №2.

«Проектирование подсистемы передачи данных в ИВК»

по дисциплине «Проектирование ИВК».

Цель работы. Проектирование подсистемы передачи данных в ИВК.

Содержание л/р: При цифровом кодировании дискретной информации в каналах связи ИВК применяются потенциальные и импульсные коды. Один из существенных недостатков цифрового кодирования с помощью потенциальных кодов (коды типа AMI, NRZI, 2Q1B) - наличие постоянного потенциала сигнала при длинных последовательностях логических нулей. Для улучшения характеристик таких кодов используются методы логического кодирования, которые позволяют длинную последовательность логических нулей заменить на последовательность, содержащую как нули, так и единицы. Для логического кодирования характерны два метода:

1. Избыточные коды.

2. Скремблирование.

В лабораторной работе предлагается изучить и выполнить проектирование подсистемы передачи данных, использующей метод скремблирования.

Скремблирование (scramble - перемешивание) - это такой способ логического кодирования, при котором выполняется обратимое преобразование структуры цифрового потока данных без изменения скорости их передачи с целью получения псевдослучайной последовательности. На рис.1. представлена схема подключения скремблера и дескремблера к каналу связи

Передатчик Приемник

Скремблер

Модулятор

Демодулятор

Дескремблер

Канал связи

Рис.1. Схема подключения скремблера и дескремблера к каналу связи

Скремблирование производится на передающей стороне с помощью скремблера. Скремблер реализует логическую операцию суммирования по модулю 2 исходного и псевдослучайного двоичных кодов. На приемной стороне осуществляется обратное преобразование - дескремблирование, которое выполняется дескремблером, в результате чего выделяется исходная информационная последовательность. Модулятор и демодулятор соответственно выполняют физическое кодирование и декодирование информации

Основным функциональным узлом скремблера является генератор двоичной псевдослучайной последовательности (ПСП), выполненный в виде линейного n-разрядного регистра сдвига с обратными связями, который формирует псевдослучайную двоичную последовательность максимальной длины 2ⁿ - 1. Существуют 2 типа скремблеров (дескремблеров):

1. Самосинхронизирующиеся.

2. Аддитивные (с начальной установкой).

Самосинхронизирующееся скремблирование. На рис.2. в качестве примера показана самосинхронизирующаяся пара скремблер - дескремблер.

Передатчик формирует из исходной последовательности а_n скремблированную последовательность b_n, которая для приведенного примера может быть описана выражением:

b_n = а_n b_n-3 b_n-5.

Передатчик Приемник

a_n …..b_n а_n

1 2 3 4 5 1 2 3 4 5

Рис.2. Схема скремблирования - дескремблирования с самосинхронизацией

Приемник выделяет исходную информационную последовательность а_n путем сложения по модулю 2 принятой скремблированной последовательности b_n с псевдослучайной последовательностью, формируемой регистром сдвига дескремблера. Эта процедура может быть описана выражением:

a_n = b_n b_n-3 b_n-5.

Особенностью самосинхронизирующегося скремблера (дескремблера) является то, что он управляется самой скремблированной последовательностью, то есть той, которая поступает в канал связи (из канала) связи. Поэтому в общем случае не требуется специальной установки скремблера и дескремблера в начальное состояние, поскольку они оказываются идентичными в результате записи в их регистры сдвига скремблированной последовательности. При потере синхронизма между скремблером и дескремблером время его восстановления не превышает числа тактов, равного числу ячеек скремблера (дескремблера). При потере синхронизма естественно могут возникать ошибки, которые должны быть пойманы системой контроля.

Недостатки самосинхронизирующегося скремблера (дескремблера):

1. Свойство размножения ошибок.

2. Возможноcть появления на выходе т.н. критических ситуаций.

По первому недостатку.

В приведенном примере при возникновении одной ошибки в последовательности b_n ошибочными будут также 6-ой и 7-ой символы. В общем случае влияние ошибочно принятого бита будет проявляться z раз, где z-число обратных связей регистра сдвига. Этот недостаток ограничивает число обратных связей в регистре сдвига, которое практически не превышает z=2, то есть полином регистра является триномом вида P(x) = x^u + x^v + 1.

По второму недостатку.

Критическая ситуация на выходе сдвигового регистра - это когда выходная последовательность приобретает периодический характер с периодом меньшим длины ПСП. Для предотвращения таких ситуаций могут применяться специальные дополнительные схемы контроля, которые обнаруживают периодичность повторения элементов последовательности на входе и устраняют ее.

Рассмотрим самосинхронизирующееся скремблирование на конкретных примерах.

Пример 1. a_n = 110110000001. Определить b_n. Результаты приведены в таблице 1. Видно, что в скремблированной последовательности b_n отсутствует пачка из шести “0”, имеющаяся в исходной последовательности a_n.

Таблица 1

N такта	an	Состояние ячеек регистра	bn
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12	1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1	00000 10000 11000 01100 00110 00011 10001 11000 01100 10110 11011 11101 11110	1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1

Пример 2. b_n = 110001101111. Определить a_n . Результаты приведены в таблице 2. В результате дескремблирования приемником информации восстановлена исходная последовательность a_n.

Таблица 2

N такта	bn	Состояние ячеек регистра	an
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12	1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1	00000 10000 11000 01100 00110 00011 10001 11000 01100 10110 11011 11101 11110	1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1

Пример 3. На 4-м такте произошла рассинхронизация работы пары скремблер-дескремблер, например, из – за сбоя дескремблера. В приведенном примере из-за сбоя состояние ячеек регистра дескремблера в 4-м такте повторяет состояние ячеек регистра дескремблера в 3-м такте. Определить время (в тактах) вхождения пары в синхронизм.

Результаты представлены в таблицах 3 и 4. Пара вошла в синхронизм в 8-м такте. Последовательность а_n содержит ошибку в одном бите (‘1” вместо нуля в 8-м такте), которая может быть обнаружена схемами контроля приемника и исправлена.

Таблица 3

N такта	an	Состояние ячеек регистра	bn
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12	1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1	00000 10000 11000 01100 00110 00011 10001 11000 01100 10110 11011 11101 11110	1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1

Таблица 4

N такта	bn	Состояние ячеек регистра	an
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12	1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1	00000 10000 11000 01100 01100 00110 10011 11001 01100 10110 11011 11101 11110	1 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 1

Недостатки самосинхронизирующегося скремблирования могут быть устранены схемами аддитивного скремблирования. При этом должна быть реализована синхронная установка регистров сдвига в начальное исходное состояние. Это позволяет решить проблему взаимной синхронизации скремблера и дескремблера. Основной недостаток этого метода - необходимость решения задачи взаимной начальной синхронизации пары скремблер - дескремблер и связанные с этим затраты (аппаратные и пр.).

Исходные данные на л/р:

1. ИВК передает на объект управления сообщение, закодированное на логическом

уровне в коде ASCII, а на физическом уровне в коде AMI. Для улучшения характеристик кода AMI используется скремблирование с самосинхронизацией по формуле:

b_n = a_n b_{n -6} b_{n -7.}

2. Варианты исполнения приведены в таблице 5 .

Таблица 5.

Вариант	Сообщение	Такт рассинхронизации i
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15	a a b b c ddh hh hhk aaad dd ddgg ggggg a5a5a5 c c c v v vvNNN L LLss ssdd ddd ssssssss gg g g f f f f f ddwwww444 4455 66666 88 8888 ц ц ц к кк к к е е 4234 2 4ллл л л л ж жжж жее xxxxxx111ccc c c ccc 2 9 9 9 9ddyyyy u u ufffff 7 7 7 7 7 &*** *M M M M MKK KKFF < < <NN N N ^ ^ ^ ^ ^&&*****&& E 4 E 4 E 4 E 4 5 555F F F F F HH h h h hq qq P P P P P P P UT T77777 79 9 99999 99 Г Г Г Г Г Г грррррр ББББББ БББ юю ю ю ВАВА ВА ВА ЩЩЩ ЩЩ ЩЩ ЩЩ 8989Щ ДД ДД ДД дддддд ******Ы Ы Ы Ы hhh h h hh hhhh ff ff ff ff kkk k k k k kkkkkkkk zzz zz zzz ghgh hghg gh hhhhhzzz azzzzz z DDD D D D DDDDD 6666 66 6 6 6 77 777 7777	3 4 2 1 5 8 9 12 14 7 13 15 18 3 8

Задание на л/р: Разработать программу, позволяющую:

1. Сформировать двоичную последовательность символов, передаваемую по каналу связи на объект управления.

2. Наглядно продемонстрировать этапы преобразования передаваемого сообщения (кодирование в коде ASCII [H-код, B-код], скремблирование и дескремблирование, восстановление исходного сообщения на объекте управления).

3. Имитировать рассинхронизацию скремблера и дескремблера на i-м такте с последующим вхождением скремблера и дескремблера в синхронизм.

4. Определить время (в тактах) вхождения скремблера и дескремблера в синхронизм.

Примечания:

1. Язык программирования выбирается студентом самостоятельно.

2. Программа должна работать при произвольных исходных данных.

3. Пробел – это тоже символ.

Срок выполнения л/р - до 10.11.12.

Требования к оформлению отчета по л/р приведены в методических указаниях по выполнению л/р N1.