ЦСП для Заочников ч.1 / Учебники по ЦСП / Плотников Н.Д. Цифровые системы передачи

64

Функциональная схема преобразователя двоичного кода в код ЧПИ, которая используется в первых образцах ЦСП ИКМ-30, приведена на рис. 4.6. Рисунок 4.6 Групповой униполярный двоичный сигнал в коде RZ подается на вход триггера со счетным входом (). Этот триггер переключается при появлении на его входе очередной «1» ИКМ-сигнала и тем самым поочередно отпирает схемы И1 и И2 по одному из входов (входы 1). На входы 2 схем И1 и И2 подается напряжение с прямого (на И1) и с инверсного (на И2) выходов триггера Т2, начальное состояние которого может быть произвольным. Предположим, что он взведен. Тогда на вход 2 схемы И1 с прямого выхода Т2 поступает высокий потенциал, отпирающий И2 по входу 2, а на вход 2 схемы И2 с инверсного выхода Т2 поступает низкий потенциал, запирающий И2 по входу 2. При поступлении на вход ТТ1 «1» в ИКМ-сигнале триггер взводится и отпирает И1 по входу 1. В результате один из импульсов последовательности ТИ-1, следующих с тактовой частотой (в ЦСП ИКМ-30 ), проходит через И1 и взводит триггер Т3. Следом за импульсом последовательности ТИ-1 на сбрасывающие входы триггеров Т3 и Т4 поступает импульс из последовательности ТИ-2. Эта последовательность аналогична последовательности ТИ-1 и лишь сдвинута относительно нее на величину длительности импульса (), формируемого на выходах триггеров  и  (). Импульсом из последовательности ТИ-2 триггер Т3 сбрасывается. В результате на его выходе формируется импульс, который поступает на формирователь (ФИ1). Сформированный импульс через трансформатор поступает в линию связи. В процессе сброса триггер Т3 переключает триггер Т2, в результате чего к моменту поступления очередной «1» в ИКМ-сигнале подготовлена к работе нижняя часть схемы преобразователя, которая срабатывает аналогично верхней. Поскольку токи нагрузки в первичной обмотке линейного трансформатора имеют встречные направления, то во вторичной обмотке формируется линейный сигнал с чередующейся полярностью импульсов (ЧПИ). Так как в спектре кода ЧПИ отсутствует постоянная составляющая, то исчезают и дискретные составляющие. Следствием этого является отсутствие в спектре линейного кода ЧПИ составляющей тактовой частоты. Этот недостаток легко устраним. Путем выпрямления код ЧПИ преобразуется в двоичный код RZ, спектр которого содержит постоянную составляющую, а, следовательно, и составляющую тактовой частоты (и ее гармоники). Существенным недостатком кода ЧПИ является возможность сбоя тактовой синхронизации при появлении длинных серий пробелов. Одним из методов уменьшения вероятности появления длинных последовательностей «нулей» является инверсия нечетных (или четных, как это имеет место в ЦСП ИКМ-30) разрядов кодовых комбинаций, формируемых кодером. Вторым методом уменьшения вероятности появления длинных серий «нулей» является скремблирование исходного двоичного сигнала. 4.3.4 Скремблирование цифрового сигнала Скремблирование обеспечивает преобразование исходного двоичного сигнала в сигнал, по своим свойствам близким к случайному с одинаковыми вероятностями появления символов «0» и «1» и отсутствием корреляционных связей между ними. В результате вероятность образования последовательности из К “нулей” равна . Например, вероятность появления последовательностей из 5, 10, 15 и 20 нулей равна соответственно , ,  и . Таким образом, скремблирование уменьшает вероятность появление длинных последовательностей «нулей», что облегчает выделение составляющей тактовой частоты. Скремблирование осуществляется путем поразрядного суммирования по mod2 информационной последовательности символов с псевдослучайной последовательностью (ПСП) Y(t), которая формируется генератором ПСП. В качестве ПСП используются последовательности максимальной длины (М-последовательности). Максимальная длина М-последовательности (максимальная длина цикла) , где  - степень образующего многочлена . Для формирования ПСП практическое применение получили образующие полиномы  () и  (). В результате суммирования по mod2 формируется скремблированный цифровой сигнал . На приемной стороне дескремблирование сигнала осуществляется путем повторного сложения по mod2 принятого сигнала Z(t) с ПСП Y(t), т.е. при  отсутствии помех , т.е. исходный сигнал в результате дескремблирования восстанавливается. Структурная схема скремблера-дескремблера приведена на рис 4.7. Синхронизация генераторов ПСП на передающей и приемной сторонах осуществляется управляющими сигналами от генераторного оборудования ЦСП. Рисунок 4.7 Генераторы ПСП строятся на базе регистров с обратными связями по mod2. Структура этих генераторов (формирователей М-последовательностей), схема обратных связей между элементами регистров определяются степенью и структурой используемого образующего полинома P(x). 4.3.5 Коды с высокой плотностью единиц. Недостаток кода ЧПИ – возможность появления длинных последовательностей «нулей» и связанная с этим возможность сбоя тактовой синхронизации устраняется в так называемых кодах с высокой плотностью единиц (КВП-n), которые являются модификациями кода ЧПИ (МЧПИ). В коде КВП-n количество нулей, следующих подряд, не должно превышать n. Обычно величина n=2 (код КВП-2) и n=3 (код КВП-3). Если в преобразуемой последовательности число подряд следующих «нулей» не превышает n, то последовательность символов линейного кода формируется по правилу формирования кода ЧПИ. При появлении числа «нулей» больше n каждая группа из n+1 нулей заменяется определенной кодовой комбинацией той же длины (n+1), состоящей из «единиц» и «нулей». Структура этой комбинации выбирается такой, чтобы она обеспечивала чередование полярностей импульсов в ней и обеспечивала нарушение биполярности в формируемом линейном коде. Это позволяет сбалансировать код и, как следствие, снизить плавание базовой линии до допустимой величины, а так же позволяет на приемной стороне восстановить нарушенные последовательности «нулей». Из семейства кодов с высокой плотностью единиц наиболее широко используются КВП-3. В частности, этот код используется в первичных, вторичных и четверичных ЦСП (ИКМ-30, ИКМ-120, ИКМ-480). В этом коде (английская аббревиатура HDB-3) группа из 4-х «нулей» замещается кодовой комбинацией B00V или 000V. Импульс B формируется, если между соседними группами их 4-х «нулей» число «единиц» четное, т.е. импульс В дополняет число «единиц» между двумя «паузами» из 4-х «нулей» до нечетного числа. Полярность импульса В всегда противоположна полярности предыдущего импульса. Импульс V формируется постоянно при обнаружении группы из 4-х нулей, а его полярность совпадает с полярностью предыдущего импульса. Последовательное изменение полярности импульса V, нарушающего чередование полярности импульсов в кодовой последовательности, выравнивает число положительных и отрицательных импульсов в линейном коде. На рис.4.8 приведен пример формирования кода КВП-3. Воздействие любой одиночной ошибки приводит либо к нарушению правила чередования полярности импульсов, либо уничтожает ранее введенное нарушение закона чередования полярности. В обоих случаях ошибка обнаруживается по нескомпенсированности нарушения полярности импульсов. Рисунок 4.8 Вместе с тем, коду КВП-3 свойственно явление размножения ошибок. Случайные ошибки могут вызывать в процессе преобразования линейного кода КВП-3 в двоичный код появление дополнительных ошибок. Например, если в переданной группе +1 0 -1 +1 искажается символ -1, то на приеме группа +1 0 0 +1 будет воспринята как комбинация B00V, которая будет замещена на 0000. Таким образом, вместо одной ошибки появятся три. Считается, что значение коэффициента размножения ошибок в процессе декодирования может составлять от 1,18 до 1,26. Упрощенная структурная схема преобразователя униполярного двоичного сигнала в код КВП-3 приведена на рис. 4.9. Рисунок 4.9 Преобразуемый униполярный ИКМ-сигнал поступает в 4-разрядный регистр сдвига. Если в ИКМ-сигнале отсутствуют последовательности из 4-х и более «нулей», то ИКМ-сигнал, задержанный в регистре сдвига, поступает в устройство разделения, где разделяется на две последовательности - последовательность импульсов нечетных (нчт) и последовательность импульсов четных (чт) разрядов. Эти последовательности без нарушения полярности импульсов поступают на вход формирователя биполярного сигнала. Если же обнаружитель последовательности 0000 определит наличие в регистре последовательности из четырех «нулей», то он (обнаружитель) выдает в регистр сигнал, который переводит регистр из последовательного в параллельный режим работы, тем самым разрешает запись в его ячейки комбинации К001. Обнаружитель четности постоянно формирует кодовую комбинацию К001 в параллельном коде. Значение К может быть равно 0 или 1. Значение К=1 при четном числе импульсов на выходе регистра и К=0 – при нечетном (что соответствует правилу формирования кода КВП-3). Кроме того, импульс с выхода обнаружителя последовательности 0000 поступает в устройство нарушения полярности, где после задержки на временной интервал между позициями В и V импульсов (равный 2-м тактовым) формируется соответствующий сигнал для нарушения чередования полярности импульсов на выходе формирователя биимпульсного сигнала. С выхода формирователя биимпульсного сигнала линейный сигнал поступает в линию связи. На приемной стороне восстанавливается форма и структура переданного сигнала, для чего из принятого сигнала исключаются комбинации B00V и 000V (т.е. обнаруживаются и восстанавливаются переданные группы 0000). Обнаружение группы 0000 осуществляется по следующим признакам: - наличие импульсов с одинаковой полярностью с предыдущем на четвертом (i) тактовом интервале этой кодовой комбинации; - отсутствие импульсов с полярностью, противоположной полярности предыдущего импульса, на третьем (i-1), втором (i-2) и первом (i-3) тактовых интервалах; - наличие импульсов на (i-4) тактовом интервале, предшествующем первому тактовому интервалу кодовой комбинации 0000. Упрощенная структурная схема преобразователя кода КВП-3 в двоичный униполярный код приведена на рис. 4.10. Рисунок 4.10 Принятый сигнал в коде КВП-3 выпрямляется и разделяется на два цифровых потока, соответствующих полярности принятых импульсов. Информация о принадлежности импульса к тому или иному потоку записывается в устройство памяти. Суммарный поток униполярных импульсов с выхода схемы ИЛИ-1 поступает в регистр. Выходные сигналы устройства памяти анализируются определителями B00V и 000V комбинаций. При наличии той или иной комбинации формируется сигнал сброса, который через ИЛИ-2 осуществляет сброс (до 0000) содержимого регистра сдвига. Близкими к коду КВП-3 (НДВ-3) являются коды BnZS.  В коде B3ZS группа из трех «нулей» замещается одной комбинацией B0V или 00V. Символ В отвечает правилу чередования полярности импульсов, а V-нарушает это правило. Импульс В дополняет до нечетного числа количество импульсов между соседними импульсами V. В коде B6ZS группа из шести «нулей» замещается одной комбинацией вида 0BV0BV. Полярность символа (импульса) B противоположна, а полярность символа V совпадает с полярностью предшествующего импульса.  При формировании последовательности трехуровневых кодов производится постоянное выравнивание числа передаваемых положительных и отрицательных импульсов. Важным параметром таких кодов является текущее значение цифровой суммы , где  - любые целые числа,  - значение символа кода (+1, 0 или -1) в i-м тактовом интервале. Каждому коду соответствует свой диапазон текущей цифровой суммы. Превышение текущей суммой допустимого диапазона изменения позволяет обнаруживать ошибки при передаче. В частности, диапазон изменения цифровой суммы кода 6BZS равен трем. В отличие от рассмотренных в парно-избирательном троичном коде (ПИТ) и почти разностном квазитроичном коде (ПРКК) осуществляется не замещение групп «нулей», а преобразование каждой пары двоичного кода в пары символов троичного кода. При этом создается два набора (две моды) троичных символов с положительной и отрицательной цифровой суммой. В табл. 4,2 приведены указанные наборы для преобразования двоичного кода в модифицированный ПИТ код. Таблица 4.2

Двоичный сигнал	Символы ПИТ кода
	Мода «+»	Мода «-»
00	0 +1	-1 0
01	-1 +1	-1 +1
10	+1 -1	+1 -1
11	+1 0	0 -1

Переход от одного набора к другому происходит после каждой пары 00 и 11, что обеспечивает равенство числа положительных и отрицательных импульсов в формируемой последовательности ПИТ кода.  Пары символов двоичного кода вида +1+1, 00, и -1-1 не используются в ПИТ коде. Появление этих комбинаций в процессе обратного преобразования ПИТ кода в двоичный на приёме указывает на отсутствие синхронизации по кодовым группам троичного кода. Диапазон изменения цифровой суммы в последовательностях символов, закодированных ПИТ кодом, равен трем. 4.3.6 Линейные коды с изменением тактовой частоты. К числу таких кодов относятся так называемые алфавитные и многоуровневые коды. В алфавитных кодах входная последовательность разделяется на блоки той или иной длины с последующим их преобразованием в блоки другого кода с тем же или другим основанием и, как правило, с новым количеством тактовых интервалов, т.е. с новой тактовой частотой. При перекодировании стремятся исключить использование комбинаций нового кода, которые содержат в своем составе длинные серии «нулей» (или «единиц»). Алфавитные коды имеют структуру , где  - число символов в кодируемой группе исходной двоичной последовательности; - - двоичное основание; - - число символов в группе “нового” (алфавитного) кода; - - основание “нового” кода. Основание  может быть двоичным (), троичным (T), четверичным (Q), пятеричным (QI), шестеричным (S), семеричным (Н) и т.д. Например, тип кода 4В3Т указывает на то, что группа из 4-х двоичных символов преобразуется в соответствующую группу из 3-х троичных символов. При этом из  комбинаций троичного кода используются  комбинаций. К числу параметров алфавитных кодов относятся избыточность (r) и коэффициент изменения тактовой частоты (), которые определяются соотношениями соответственно: ; . (4.1) Новое значение тактовой частоты  связано со «старым» значением частоты  соотношением: . (4.2) Наиболее простым и эффективным является биимпульсный код 1В2В, в котором двоичный символ исходного двоичного кода кодируется двумя двоичными символами линейного кода. Например “1” кодируется комбинаций 10, а «0» - комбинацией 01. В последовательности этого биимпульсного униполярного кода значение постоянной составляющей неизменно при любом содержании «1» и «0» в исходном коде. Однако использование кода 1В2В приводит к удвоению тактовой частоты с вытекающими из этого факта последствиями. Разновидностью кода 1В2В является код СМI, в котором символы «1» исходного кода передаются чередующимися комбинациями 11 и 00, а символ «0» - комбинацией 01. Комбинация (символы) 11 представляют собой импульс с длительностью, равной тактовому интервалу, а комбинация (символ) 00 – паузу той же длительности. Символы 01 представляют собой паузу (0) и импульс(1), длительность каждого из которых равна половине тактового интервала. В рассмотренном варианте кода СМ1 постоянная составляющая неизменна.  В другом варианте кода СМ1 передаваемые символы поочередно инвертируются, т.е. единицы исходного кода передаются в виде 11 или -1-1, а нули – в виде 0-1 или 0 1. Постоянная составляющая такого кода равна нулю. Меньшей избыточностью обладает и в меньшей степени увеличивает тактовую частоту (является узкополосным) код 5В6В, используемый в ЦСП ИКМ-480С. При выборе из  необходимых  кодовых комбинаций в первую очередь выбирают те, которые имеют одинаковое число 1 и 0. Их количество . Для остальных 12-ти формируют две группы по 12 шестиразрядных кодовых комбинаций в каждой. В одну из них отбирают комбинации, каждая из которых содержит 4 «единицы», а в другую – комбинации, содержащие 2 «единицы». Каждой из 12-ти пятиразрядных комбинаций ставят в однозначное соответствие две шестиразрядные, одна из которых содержит 4 «единицы», а другая – 2. При последовательной передаче одинаковых пятиразрядных комбинаций соответствующие им шестиразрядные комбинации чередуются, за счет чего сохраняется неизменность постоянной составляющей. При необходимости для формирования линейного сигнала постоянную составляющую легко устранить, преобразовав код в двоично-симметричный, в котором «1» и «0» отображаются разнополярными импульсами. Увеличение тактовой частоты в ЦСП ИКМ-480 до величины  компенсируется более высокой помехозащищенностью линейного сигнала, который представляет собой двоичный униполярный относительный код 5В6В с длительностью импульсов, равной тактовому интервалу (код NRZ). Оставшиеся 20 шестиразрядных комбинаций не используются для передачи, поэтому обнаружение их в принимаемом сигнале указывает на наличие ошибок или на нарушение синхронизации. Следует заметить, что линейные сигналы, формируемые на базе кодов nBkB, являются униполярными. Вместе с тем, в этих кодах, как и при скремблировании, постоянная составляющая изменяется в небольших пределах. Это позволяет при необходимости легко устранить ее из сигнала, а затем восстановить на приеме. Как видно из рассмотренного, преобразование исходного двоичного кода без изменения основания (в код nBkB) обеспечивает использование требуемого числа кодовых комбинаций из большего их числа нового кода. Иначе говоря, вводится избыточность, увеличивается число тактовых интервалов в неизменном промежутке времени. Это преобразование и приводит к увеличению скорости передачи (тактовой частоты) при использовании алфавитных кодов nBkB. В ЦСП, использующих волоконно-оптические линии связи, модуляция оптического излучения осуществляется двухуровневыми униполярными сигналами, т.е. используются алфавитные коды nBkB в сочетании со скремблированием. Алфавитные коды, у которых (многоуровневые коды) обеспечивают снижение тактовой частоты и тем самым обеспечивают возможность увеличения длины участка регенерации. Примером такого кода является код 4В3Т и его разновидность F0M0T, в которых для передачи комбинаций двоичного кода используется 16 из  комбинаций троичного кода. При этом избыточность кода составляет , а коэффициент изменения тактовой частоты . Код 4B3T (FOMOT) используется в ЦСП ИКМ-480 2 Расчетное значение тактовой частоты составляет . Для формирования кода 4B3T из 27-ми комбинаций трехуровневого кода используют 6 комбинаций с нулевой цифровой суммой, 10 – с положительной и 10 – с отрицательной цифровой суммой. Создается 2 троичных алфавита (моды). В положительную моду (М+) входят 6 троичных комбинаций с нулевой и 10 комбинаций с отрицательной цифровой суммой. В состав второго алфавита (отрицательная мода – «М – ») входят те же 6 комбинаций с нулевой и 10 с отрицательной цифровой суммой. Комбинации с положительной и отрицательной суммой, соответствующие одной и той же комбинации двоичного кода, взаимно инверсные. В табл.4.3. приведен вариант кода 4В3Т. Таблица 4.3

Символы двоичного  кода	Символы троичного кода
	М+				М-
0000	0	–1	+1	0		–1	+1
0001	–1	+1	0	–1		+1	0
0010	–1	0	+1	–1		0	+1
0011	+1	–1	+1	–1		+1	–1
0100	0	+1	+1	0		–1	–1
0101	0	+1	0	0		–1	0
0110	0	0	+1	0		0	–1
0111	–1	+1	+1	+1		–1	–1
1000	0	+1	–1	0		+1	–1
1001	+1	–1	0	+1		–1	0
1010	+1	0	–1	+1		0	–1
1011	+1	0	0	–1		0	0
1100	+1	0	+1	–1		0	–1
1101	+1	+1	0	–1		–1	0
1110	+1	+1	–1	–1		–1	+1
1111	+1	+1	+1	–1		–1	–1

Формирование очередной троичной группы определяется значением текущей цифровой суммы. Если она положительна, то передается комбинация из отрицательной моды, если она отрицательна или равна 0, то передается комбинация из положительной моды. Диапазон изменения текущей цифровой суммы включает в себя значения -2;-1;0; +1 и +2. Ошибки в принятом сигнале обнаруживаются путем контроля пределов изменения текущей цифровой суммы. Появление цифровой суммы -3 или +4 в моменты, определяемые приемной аппаратурой в качестве граничных между комбинациями троичного кода, а так же обнаружение в принятом сигнале запрещенной кодовой комбинации 000, указывает на нарушение синхронизации по кодовым комбинациям. Более сложной разновидностью кода 4В3Т является код FOMOT, которая используется в ЦСП ИКМ-480*2. Для формирования этого кода использует четыре троичных алфавита. Диапазон изменения текущей цифровой суммы включает в себя 4 значения: -1; 0; +1; +2, а пределы ее изменения при передаче первого и второго символов троичной комбинации от -2 до +3. Оптимальный подбор структуры троичных комбинаций в каждом из четырех алфавитов позволил уменьшить диапазон изменения текущей цифровой суммы, повысить точность контроля верности передачи и уменьшить время обнаружения нарушения синхронизации по кодовым группам. В многоуровневых кодах каждой возможной n-разрядной кодовой комбинации двоичного кода ставится в соответствие одно из возможных М уровней многоуровневого сигнала. При этом число разрядов n связано с числом уровней М соотношением , а новое значение скорости передачи (тактовой частоты) уменьшается в раз , где  и  - скорость передачи сигнала со «старым» и «новым» кодом соответственно. Таким образом, использование многоуровневых кодов обеспечивает передачу информации с большей скоростью, чем скорость передачи линейных сигналов. Примером четырехуровневого кода является код 6B3Q, в котором шестисимвольная комбинация двоичного кода заменяется трехсимвольной комбинацией четырехуровневого кода с разрешенными относительными уровнями +0,5, -0,5, 1,5 и -1,5. Примером пятиуровневого кода с относительными уровнями 0, +1, +2, -1 и -2 является код 2B1QI, в котором двухбитовая комбинация заменяется одним символом пятеричного кода. Применение многоуровневых кодов позволяет передавать цифровые сигналы по аналоговым трактам. Помимо рассмотренных существует множество линейных кодов других типов, которые не получили широкого распространения [7].