10.3.2 Цифровое кодирование

Цифровое кодирование последовательностей битов осуществляется с помощью импульсно-кодовой модуляции (pulse-code modulation – PCM). В процессе PCM биты кодового слова представляются электрическим импульсами (рис. 10.7). В зависимости от требований, предъявляемых к сигналу РСМ, используются различные модификации потенциальных и импульсных кодов.

В потенциальных кодах для представления логических единиц и нулей используется только уровни потенциала сигнала. Импульсные коды позволяют представить двоичные данные либо импульсами определенной полярности, либо частью импульса - перепадом потенциала определенного направления.

Наиболее часто используются потенциальные коды NRZ (nonreturn to zero – без возврата к нулю). Коды NRZ (рис. 10.11) используются в трех модификациях.

NRZ-L (L – level – уровень) – двоичная единица отображается высоким (положительным) потенциалом сигнала, двоичный нуль передается низким или нулевым потенциалом. В компьютерах цифровые данные представляются сигналами уровней 5В для двоичной единицы и 0,2В для двоичного нуля, при передаче этих данных в линию связи уровни сигналов преобразуются соответственно в +12В и в -12В. Такое кодирование осуществляется, в частности, с помощью адаптеров RS-232-C при передаче цифровых данных от одного компьютера к другому на небольшие расстояния.

NRZ-M (M – mark – метка) – это дифференциальная кодировка. Здесь высокий уровень сигнала возникает как результат изменения значения передаваемого бита информации, а низкий уровень говорит о том, что значение бита не изменилось.

NRZ-S (S – spase – пауза) – это кодировка, обратная предыдущей. Двоичная единица говорит об отсутствии изменения уровня, двоичный нуль служит указанием на изменение уровня сигнала.

При низкочастотной передаче данных и при магнитной записи используются импульсные коды RZ (рис. 10.12) с возвратом к нулю (return to zero). Коды RZ применяются в трех версиях:

- униполярная RZ отличается тем, что единица представляется наличием импульса шириной, равной половине ширины бита, а нуль – его отсутствием,

- в биполярной RZ нуль передается импульсом отрицательной полярности,

- версия RZ-AMI характеризуется тем, что импульсы соответствуют только двоичным единицам, но полярности импульсов чередуются. Эта схема используется при передаче сигналов в телефонных сетях.

Фазовое кодированиеbi-φ-L (манчестерское кодирование) используется в системах магнитной записи, в оптических каналах связи и в некоторых спутниковых каналах передачи телеметрической информации. Двоичная единица представляется импульсом длительностью в половину ширины бита, который расположен в первой половине интервала его передачи, двоичному нулю соответствует тот же импульс, но расположенной во второй половине ширины бита (рис. 10.13).

Наличие большого числа вариантов использования прямоугольных импульсов для передачи дискретной информации позволяет в каждом случае выбрать такую систему кодирования, которая позволила бы решить одновременно все или хотя бы некоторые из следующих задач:

• поместить кодовый сигнал в заданный частотный диапазон;

• устранить постоянную составляющую сигнала;

• добиться синхронизации передатчика и приемника информации;

• обеспечить возможность выявления и распознавания ошибок;

• обладал низкой стоимостью реализации.

Сравнение разных вариантов построения цифровых кодов позволяет сделать следующие выводы относительно их соответствия поставленным целям.

Потенциальный код NRZ прост в реализации и обладает хорошей распознаваемостью ошибок вследствие наличия двух резко отличающихся потенциалов. Однако он не обладает свойством самосинхронизации. При передаче длинных последовательностей нулей или единиц сигнал не изменяется, поэтому приемник не может определять по форме принимаемого сигнала те моменты времени, когда нужно в очередной раз считывать данные.

Другим серьезным недостатком кода NRZ является наличие низкочастотной составляющей, которая приближается к нулю только при передаче длинных последовательностей нулей и единиц при одинаковых вероятностях их появления. Поэтому те каналы связи, которые не обеспечивают прямого гальванического соединения между приемником и источником, этот вид кодирования не поддерживают.

Импульсные коды RZ обладают отличными свойствами самосинхронизации, но постоянная составляющая, может присутствовать при использовании униполярного варианта или при передаче длинной последовательности единиц или нулей. Кроме того, спектр у него шире, чем у потенциальных кодов.

Использование кода RZ-AMI приводит к более узкому спектру сигнала, чем для кода NRZ, а значит, и к более высокой пропускной способности линии. Код AMI предоставляет также некоторые возможности распознавания ошибочных сигналов по причине строгого чередования полярности сигналов.

Фазовое кодирование bi-φ-L (манчестерское кодирование) до недавнего времени был самым распространенным методом кодирования в локальных сетях (технологии Ethernet и Token Ring).

Так как сигнал изменяется, по крайней мере, один раз за такт передачи одного бита данных, то манчестерский код обладает хорошими свойствами самосинхронизации. Полоса пропускания для манчестерского кода уже, чем для биполярного импульсного кода. Важно также и то обстоятельство, что для передачи данных в манчестерском коде используются два уровня сигнала.

158