Fyzické kódování

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 25. června 2019; kontroly vyžadují 11 úprav .

Fyzické kódování (linkové kódování [1] [2] [3] , manipulace se signálem [1] [4] , modulace, pulzní kódová modulace [1] [5] [6] )  - reprezentace diskrétních signálů [7] přenášených přes digitální komunikační kanál za účelem přenosu dat reprezentovaných v digitální podobě na vzdálenost přes fyzický komunikační kanál (jako je optické vlákno , kroucená dvoulinka , koaxiální kabel , infračervené záření ). Fyzické kódování se také používá k záznamu dat na digitální médium . Při fyzickém kódování je pozornost věnována charakteristikám generovaného signálu : šířka pásma, harmonické složení signálu, schopnost synchronizace přijímače s vysílačem. Při fyzickém kódování se řeší otázky synchronizace, řízení šířky pásma signálu, rychlosti přenosu dat a vzdálenosti, na kterou musí být data přenášena [1] [5] .

Existují typy diskrétního přenosu signálu :

Hierarchie kódování

Systém kódování signálu má hierarchii.

Fyzické kódování

Přiblížit zpět Zvýšit

Příklady fyzického kódování

Spodní úroveň v hierarchii kódování je fyzické kódování, které určuje počet diskrétních úrovní signálu (amplitudy napětí, amplitudy proudu, amplitudy jasu).

Fyzické kódování uvažuje kódování pouze na nejnižší úrovni hierarchie kódování, fyzické úrovni, a nebere v úvahu vyšší úrovně v hierarchii kódování, které zahrnují logická kódování různých úrovní.

Z hlediska fyzikálního kódování může mít digitální signál dvě, tři, čtyři, pět atd. úrovní amplitudy napětí, amplitudy proudu, amplitudy světla.

Žádná z verzí technologie Ethernet nepoužívá přímé binární kódování bitu 0 s 0 volty a bitu 1 s +5 volty, protože tato metoda vede k nejednoznačnosti. Pokud jedna stanice odešle bitový řetězec 00010000, pak jej druhá stanice může interpretovat jako 10000 nebo 01000, protože nedokáže rozlišit „žádný signál“ od bitu 0. Přijímající stroj proto potřebuje způsob, jak jednoznačně určit začátek, konec a uprostřed každého bitu bez pomoci externího časovače. Kódování signálu na fyzické vrstvě umožňuje synchronizaci přijímače s vysílačem změnou napětí uprostřed bitové periody.

V některých případech fyzické kódování řeší problémy:

Logické kódování

Druhá úroveň v hierarchii kódování je nejnižší úrovní logického kódování s různými účely.

Fyzické kódování a logické kódování společně tvoří nízkoúrovňový kódovací systém.

Formáty kódu

Každý bit kódového slova se vysílá nebo zaznamenává pomocí diskrétních signálů, jako jsou impulsy. Způsob, jakým je zdrojový kód reprezentován určitými signály, je určen formátem kódu. Je známo velké množství formátů, z nichž každý má své výhody a nevýhody a je určen pro použití v určitých zařízeních.

Na směru hrany při přenosu jednotného signálu nezáleží. Proto změna polarity kódovaného signálu neovlivní výsledek dekódování. Může být přenášen po symetrických linkách bez stejnosměrné složky. Zjednodušuje také jeho magnetický záznam. Tento formát je také známý jako „Manchester 1“. Používá se v kódu časové adresy SMPTE, který je široce používán pro synchronizaci audio a video médií.

Dvouúrovňové kódovací systémy

NRZ (Non Return to Zero)

Přiblížit zpět Zvýšit

kód NRZ

NRZ (Non Return  to Zero  ) je  dvouúrovňový kód. Logická nula odpovídá nižší úrovni, logické jednotce - horní úrovni. Informační přechody nastávají na hranici smysluplných intervalů (významný moment) [3] [7] .

Varianty reprezentace kódu NRZ

Existuje několik možností pro prezentaci kódu:

  • Unipolární kód - logická jednotka je reprezentována horním potenciálem, logická nula je reprezentována nulovým potenciálem;
  • Bipolární kód - logická jednička je reprezentována kladným potenciálem, logická nula je reprezentována záporným potenciálem.
Výhody kódu NRZ
  • Jednoduchá implementace;
  • Vysoká rychlost přenosu dat;
Nevýhody kódu NRZ
  • Potřeba vyslat start-stop bit pro synchronizaci přijímače s vysílačem;
  • Přítomnost konstantní složky (kapacity) [5] , která znemožňuje zajistit galvanické oddělení pomocí transformátoru;
  • Vysoké požadavky na frekvenční synchronizaci na přijímací a vysílací straně - při přenosu jednoho slova (bajtu) by se přijímač neměl zachýlit o více než bit (např. u slova o délce bajtů se startovacím a stop bitem, tj. pouze 10 bitů informace o kanálu, desynchronizační frekvence přijímače a vysílače nesmí překročit 10 % v obou směrech, pro slovo 16 bitů, to znamená 18 bitů informace o kanálu, by desynchronizace neměla překročit 5,5 % a ještě méně ve fyzických implementacích).

NRZI (Nenávrat k nule)

NRZI (Non Return to Zero Invertive)  je potenciální kód s inverzí na jedničce, kód je tvořen inverzním stavem, kdy na vstup kodéru dorazí logická jednotka, při příchodu logické nuly stav potenciálu ano. beze změny. Tato metoda je modifikovanou metodou Non Return to Zero ( NRZ ) [3] .

Protože kód není chráněn před dlouhými sekvencemi logických nul nebo jedniček, může to vést k problémům se synchronizací. Proto se před přenosem doporučuje předem zakódovat danou bitovou sekvenci kódem, který zajišťuje zakódování (kódovač je navržen tak, aby přenášené datové sekvenci udělil náhodné vlastnosti, aby přijímač usnadnil výběr hodinového kmitočtu ). Používá se v Fast Ethernet 100Base-FX a 100Base-T4.

Výhody kódu NRZI
  • Snadná implementace;
  • Metoda má dobré rozpoznání chyb (kvůli přítomnosti dvou ostře odlišných potenciálů);
  • Spektrum signálu se nachází v nízkofrekvenční oblasti vzhledem k frekvenci významných intervalů.
Nevýhody kódu NRZI
  • Metoda nemá vlastnost samosynchronizace. I u vysoce přesného hodinového generátoru může přijímač udělat chybu při volbě okamžiku sběru dat, protože frekvence obou generátorů nejsou nikdy zcela totožné. Proto při vysokých datových rychlostech a dlouhých sekvencích jedniček nebo nul může malý nesoulad hodinových frekvencí vést k chybě v celém cyklu a v důsledku toho ke čtení nesprávné bitové hodnoty;
  • Druhým závažným nedostatkem metody je přítomnost nízkofrekvenční složky, která se při přenosu dlouhých sekvencí jedniček a nul blíží konstantnímu signálu (lze to obejít komprimací přenášených dat). Z tohoto důvodu mnoho komunikačních linek, které neposkytují přímé galvanické spojení mezi přijímačem a zdrojem, nepodporuje tento typ kódování. V sítích se proto kód NRZ používá především v podobě jeho různých modifikací, u kterých odpadá jak špatná autosynchronizace kódu, tak problémy se stejnosměrným proudem.

Manchester kódování

Přiblížit zpět Zvýšit

Manchester kódování

V kódování Manchester jsou každé hodiny rozděleny na dvě části. Informace jsou zakódovány potenciálními kapkami uprostřed každého cyklu. Existují dva typy kódování v Manchesteru:

  • V souladu s IEEE 802.3 je logická jednička kódována přechodem z nízké úrovně signálu na vysokou a logická nula je kódována přechodem z horní úrovně signálu na nižší ve středu významného intervalu.
  • Diferenciální kódování Manchester (podle D. E. Thomase) - logická jednotka je zakódována poklesem z horní úrovně signálu na nízkou a logická nula je zakódována poklesem z dolní úrovně signálu na horní ve středu významný interval [3] .

Na začátku každého cyklu se může objevit hrana servisního signálu, pokud potřebujete reprezentovat několik jedniček nebo nul v řadě. Vzhledem k tomu, že se signál změní alespoň jednou za datový bitový cyklus, má kód Manchester samosynchronizační vlastnosti. Povinná přítomnost přechodu ve středu bitu usnadňuje izolaci hodinového signálu. Přípustný rozdíl v přenosových frekvencích je až 25 % (to znamená, že kód Manchester-2 je nejodolnější vůči desynchronizaci, sám se synchronizuje v každém bitu přenášené informace).

Hustota kódu je 1 bit/hertz. Ve spektru signálu kódovaného Manchester-2 jsou 2 frekvence - vysílací frekvence a poloviční vysílací frekvence (vzniká, když jsou v blízkosti 0 a 1 nebo 1 a 0. Při přenosu hypotetické sekvence pouze 0 nebo 1 ve spektru bude přítomna pouze vysílací frekvence).

Výhody kódování Manchester
  • Žádná konstantní složka (změna signálu nastává v každém cyklu přenosu dat)
  • Frekvenční pásmo ve srovnání s kódováním NRZ - základní harmonická v při vysílání sekvence jedniček nebo nul má frekvenci N Hz a při konstantní sekvenci (při vysílání střídavých jedniček a nul) - N / 2 Hz.
  • Je samosynchronizační , to znamená, že nevyžaduje speciální kódování hodinového pulsu, který by zabíral datové pásmo, a proto je nejhustším kódem na jednotku frekvence.
  • Schopnost zajistit galvanické oddělení pomocí transformátoru, protože nemá konstantní složku
  • Druhou důležitou výhodou je absence nutnosti synchronizace bitů (jako v kódu NRZ) a díky tomu lze data přenášet za sebou libovolně dlouhou dobu, díky čemuž se hustota dat v celkovém toku kódu přibližuje 100 % (například pro NRZ 1- 8-0 se rovná 80 %).

Millerův kód

Přiblížit zpět Zvýšit

Millerův kód

Millerův kód (někdy nazývaný třífrekvenční) je bipolární dvouúrovňový kód, ve kterém je každý informační bit zakódován kombinací dvou bitů {00, 01, 10, 11}a přechody z jednoho stavu do druhého jsou popsány grafem [9] . Při nepřetržitém vstupu logických nul nebo jedniček do kodéru dochází k přepínání polarity v intervalu T a přechod z vysílacích jedniček k vysílacím nulám nastává v intervalu 1,5T. Když sekvence 101 dorazí do kodéru, nastane interval 2T, z tohoto důvodu se tento způsob kódování nazývá třífrekvenční [3] .

Výhody
  • Žádná redundance v kódu (žádné speciální kombinace pro synchronizaci);
  • Schopnost samosynchronizace (kód samotný obsahuje princip, kterým je zaručeno, že se můžete synchronizovat);
  • Šířka pásma Millerova kódu je poloviční než u Manchesterského kódu.
Nevýhody
  • Přítomnost konstantní složky, přičemž nízkofrekvenční složka je také dostatečně velká, což je překonáno v upraveném Millerově kódu ve čtverci.

Tříúrovňové kódovací systémy

RZ (návrat na nulu)

Přiblížit zpět Zvýšit

RZ kód

RZ (return to zero ) je  bipolární kód s návratem k nule [5] (tříúrovňový). Podle kódu RZ je každý bit přenášen jako pokles z jedné úrovně na nulu, uprostřed významného intervalu, a to následovně: logická nula odpovídá přechodu z vyšší úrovně na nulovou úroveň, logická jednička. k přechodu z nižší úrovně na úroveň nulovou. Vyžaduje 2násobek rychlosti přepínání stavu oproti rychlosti přepínání podle kódu NRZ.

Bipolární kód AMI

Přiblížit zpět Zvýšit

AMI kód

Kód AMI (Alternate mark inversion)  - má dobré synchronizační vlastnosti při přenosu sérií jednotek a je relativně snadno implementovatelný. Nevýhodou kódu je omezení hustoty nul v datovém toku, protože dlouhé sekvence nul vedou ke ztrátě synchronizace. Používá se v telefonii na datové vrstvě při použití multiplexních toků [3] .

AMI kód ​​[5] používá následující bitové reprezentace:

  • bity 0 jsou reprezentovány nulovým napětím (0 V)
  • bity 1 jsou reprezentovány střídavě -U nebo +U (B)

HDB3 (High Density Third Order Bipolar Code)

Kód HDB3 (bipolární kód třetího řádu s vysokou hustotou [5] ) opravuje libovolné 4 po sobě jdoucí nuly v původní sekvenci. Pravidlo generování kódu je následující: každé 4 nuly jsou nahrazeny 4 symboly, ve kterých je alespoň jeden signál V. Pro potlačení stejnosměrné složky se polarita signálu V při postupných záměnách střídá. Existují dva způsoby, jak nahradit:

  1. Pokud před výměnou zdrojový kód obsahoval lichý počet jedniček, použije se sekvence 000V
  2. Pokud před výměnou zdrojový kód obsahoval sudý počet jedniček, pak se použije sekvence 100V

V-signál jednotky zakázané polarity pro daný signál

Stejně jako AMI , pouze kódování sekvencí čtyř nul je nahrazeno kódem -V / 0, 0, 0, -V nebo +V / 0, 0, 0, +V - v závislosti na předchozí fázi signálu a počet jedniček v signálu před danou posloupností nul.

MLT-3

Přiblížit zpět Zvýšit

kódování MLT-3

MLT-3 ( Multi Level Transmission - 3) je metoda  kódování, která využívá tři úrovně signálu. Metoda je založena na cyklickém přepínání úrovní -U, 0, +U. Jedna odpovídá přechodu z jedné úrovně signálu na další. Stejně jako v metodě NRZI , když je vysílána logická nula, signál se nemění. Metoda byla vyvinuta společností Cisco Systems pro použití v sítích FDDI založených na měděných drátech, známých jako CDDI. Používá se také v Fast Ethernet 100BASE-TX . Jedna odpovídá přechodu z jedné úrovně signálu na druhou a ke změně úrovně signálu dochází postupně, přičemž se bere v úvahu předchozí přechod. Při vysílání nuly se signál nemění.

Výhody kódu MLT-3
  • V případě nejčastějšího přepínání úrovní (dlouhá sekvence jedniček) jsou k dokončení cyklu potřeba čtyři přechody. To umožňuje čtyřnásobně snížit nosnou frekvenci vzhledem k hodinové frekvenci, což z MLT-3 činí pohodlnou metodu při použití měděných drátů jako přenosového média.
  • Tento kód, stejně jako NRZI , musí být předem zakódován. Používá se ve Fast Ethernet 100Base-TX .

Hybridní ternární kód

Vstupní bit Předchozí stav
výstupu		 výstupní bit
0 + −
0
− 0
jeden +
0 +
−

4B3T

Přiblížit zpět Zvýšit

4B3T kód

4B3T (4 binární 3 ternární, kdy jsou 4 binární symboly přenášeny pomocí 3 ternárních symbolů) - signál na výstupu kodéru je podle kódu 4B3T tříúrovňový, to znamená, že se tvoří signál se třemi úrovněmi potenciálu na výstupu kodéru. Kód je generován např. podle kódovací tabulky MMS43 [10] . Kódovací tabulka:

Tabulka kódování MMS 43
Vstup Akumulovaný DC offset
jeden 2 3 čtyři
0000 + 0 + (+2) 0−0 (−1)
0001 0 − + (+0)
0010 + − 0 (+0)
0011 0 0 + (+1) - - 0 (-2)
0100 − + 0 (+0)
0101 0 + + (+2) − 0 0 (−1)
0110 − + + (+1) - - + (-1)
0111 − 0 + (+0)
1000 + 0 0 (+1) 0 − − (−2)
1001 + − + (+1) ---- (-3)
1010 + + − (+1) + − − (−1)
1011 + 0 − (+0)
1100 + + + (+3) − + − (−1)
1101 0 + 0 (+1) − 0 − (−2)
1110 0 + − (+0)
1111 + + 0 (+2) 0 0 − (−1)

Dekódovací tabulka:

Trojice Binární Trojice Binární Trojice Binární
0 0 0 n/a − 0 0 0101 + − − 1010
+0+ 0000 − + + 0110 + 0 - 1011
0 - 0 0000 - - + 0110 + + + 1100
0 - + 0001 − 0 + 0111 - + - 1100
+ - 0 0010 + 0 0 1000 0+0 1101
0 0 + 0011 0 -- 1000 − 0 − 1101
- - 0 0011 + − + 1001 0 + - 1110
− + 0 0100 − − − 1001 + + 0 1111
0++ 0101 + + - 1010 0 0 - 1111

Systémy se čtyřúrovňovým kódováním

2B1Q (Potenciální kód 2B1Q)

Přiblížit zpět Zvýšit

2B1Q kód

2B1Q (2 Binary 1 Quaternary)  - potenciální kód 2B1Q (v některé literatuře nazývaný PAM - 5 ) přenáší pár bitů v jednom významném intervalu [1] [2] . Každé možné dvojici je přiřazena vlastní úroveň čtyř možných úrovní potenciálu.

Pár Odpovídající
potenciál,
Volt
00 −2.5
01 −0,833
jedenáct +0,833
deset +2,5
Výhoda metody 2B1Q
  • Rychlost signálu této metody je dvakrát nižší než u kódů NRZ a AMI a spektrum signálu je dvakrát užší. Pomocí kódu 2B1Q je tedy možné na stejné lince přenášet data dvakrát rychleji.
Nevýhody metody 2B1Q
  • Implementace této metody vyžaduje výkonnější vysílač a složitější přijímač, který musí rozlišovat čtyři úrovně.

Viz také

Zdroje

  1. ↑ 1 2 3 4 5 Berlin A. N. Switching in communication systems and networks. - M .: Eko-trendy, 2006. - S. 39-43. — 344 s. - ISBN 5-88405-073-9 .
  2. ↑ 1 2 Abilov A.V. Komunikační sítě a spojovací systémy. - M . : Rozhlas a komunikace, 2004. - 288 s. — ISBN 5-256-01704-7 .
  3. ↑ 1 2 3 4 5 6 Irvin J. , Harl D. Přenos dat v sítích: inženýrský přístup. - Petrohrad. : BVH-Petersburg, 2003. - 448 s. — ISBN 5-94157-113-5 .
  4. ↑ Sergienko A. B. Digitální zpracování signálu. - Petrohrad. : Peter, 2002. - 608 s. — ISBN 5-318-00666-3 .
  5. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 Dunsmore, Brad, Skander, Toby. Příručka telekomunikačních technologií. — Williams. - M. , 2004. - 640 s. - ISBN 5-8459-0562-1 .
  6. ↑ Sklyar, Bernard. Digitální komunikace. Teoretické základy a praktická aplikace / Přeloženo z angličtiny. E. G. Grozy , V. V. Marčenko , A. V. Nazarenko . - 2. revize .. - M . : Williams, 2007. - 1104 s. - ISBN 978-5-8459-0497-3 .
  7. ↑ 1 2 3 4 Shuvalov V. P. , Zakharchenko N. V. , et al. Přenos diskrétních zpráv: učebnice pro vysoké školy / ed. Šuvalov V. P. . - M . : Rozhlas a komunikace, 1990. - 464 s. — ISBN 5-256-00852-8 .
  8. ↑ Dvorkovich V.P. , Dvorkovič A.V. Metrologická podpora videoinformačních systémů. — M .: Technosfera, 2015. — 784 s. - ISBN 978-5-94836-419-3 .
  9. ↑ Mylene Pischella , Didier Le Ruyet. Digitální komunikace 2: Digitální modulace. - John Wiley & Sons, 2015. - S. 28-30. — 334 s. — ISBN 1119189993 . — ISBN 9781119189992 .
  10. ↑ "Kabelová komunikace T-SMINTO 4B3T modulární ISDN NT druhé generace (běžná)" (PDF) (Datový list). Verze 1.1. Infinion. Listopad 2001. PEF 80902. . Staženo 8. ledna 2018. Archivováno z originálu 30. prosince 2016.

Literatura

  • Goldstein Boris Solomonovič. Přístup k síťovým protokolům. - BHV-Petrohrad. — 2005.
  • Přenos diskrétních zpráv: učebnice pro střední školy / V. P. Shuvalov, N. V. Zacharčenko, V. O. Shvartsman a další; Ed. V. P. Šuvalová. - M .: Rádio a komunikace, -1990-464 ISBN 5-256-00852-8
  • Sukhman S. M., Bernov A. V., Shevkoplyas B. V. Synchronizace v telekomunikačních systémech: Analýza inženýrských řešení. - M .: Eco-Trenz, - 2003, 272s. ISBN 5-88405-046-1

Odkazy