Методы цифрового кодирования

Существует два метода цифрового кодирования: потенциальный и импульсный.

В потенциальных кодах для представления информации используется значение уровня сигнала, а его перепады, формирующие законченные импульсы, во внимание не принимаются.

В импульсных кодах используются либо импульсы определенной полярности (униполярное, полярное, биполярное кодирование), либо часть импульса – перепад потенциала определенного направления (транзитивное кодирование). В отдельную группу импульсных кодов выделяют двухфазные коды, где в каждом битовом интервале обязательно присутствует переход из одного состояния в другое. Такие коды являются самосинхронизирующимися.

Код без возвращения к нулю NRZ (Non Return to Zero) – простейший потенциальный код, представляющий собой обычный цифровой сигнал. Логическому нулю соответствует сигнал высокого уровня, логической единице – низкого уровня (или наоборот) (рис. 4.18).

Рис. 4.18 – Код без возвращения к нулю NRZ.

Уровни могут быть разной или одинаковой полярности. В течение одного битового интервала никаких изменений уровня сигнала не происходит.

Данный код получил свое название в связи с тем, что при передаче последовательности единиц сигнал не возвращается к нулю в течение такта.

Достоинства кода NRZ:

• простота реализации (исходный сигнал не нужно специально кодировать на передающем конце и декодировать на приемном),

• минимальная требуемая полоса пропускания канала связи (за один битовый интервал может произойти не более одного перехода уровня сигнала),

• высокая помехозащищенность (сигнал имеет только 2 резко отличающихся уровня).

Недостатки кода NRZ:

• отсутствие самосинхронизации

При передаче длинных последовательностей 0 или 1 сигнал не изменяется и приемник не в состоянии определять границы битовых интервалов по входному сигналу. Поэтому данная операция осуществляется с помощью внутренних часов, а т.к. частоты приемника и передатчика никогда не бывают полностью идентичны, может произойти потеря данных. Поэтому код NRZ используется только для передачи короткими пакетами (до 1 Кб).

• Обеспечение обмена пакетами только фиксированной заранее оговоренной длины.

По принимаемой информации приемник не может определить момент окончания передачи (наличие нулевого уровня на линии может быть обусловлено как передачей логической единицы, так и переводом канала связи в пассивное состояние по окончании передачи). Для синхронизации начала приема пакета используется стартовый служебный бит, уровень которого отличается от пассивного состояния линии (например, равен единице). Заканчивается прием после отсчета заданного количества бит (рис. 4.19).

Рис. 4.19 – Определение окончания передачи в коде NRZ.

• Наличие низкочастотной составляющей, которая приближается к нулю при передаче длинных последовательностей единиц или нулей.

Поэтому многие каналы связи, не обеспечивающие прямого гальванического соединения между приемником и источником, этот вид кодирования не поддерживают.

В чистом виде код NRZ в сетях не используется, а применяются его различные модификации, в которых отсутствуют перечисленные недостатки.

Код с возвращением к нулю RZ (Return to Zero) – простейший биполярный импульсный код. В данном коде используется три уровня сигнала. Логическому нулю соответствует импульс положительной полярности, логической единице – отрицательной полярности (или наоборот). Эти импульсы длятся первую половину битового интервала. Во второй половине битового интервала устанавливается значение нулевого потенциала (рис. 4.20).

Таким образом, в середине битового интервала происходит обязательный переход к нулевому уровню. Этим фактом обусловлено название кода.

Рис. 4.20 – Код c возвращением к нулю RZ.

Достоинства кода RZ:

• Отличные самосинхронизирующиеся свойства.

В середине битового интервала происходит обязательный перепад уровня сигнала, по которому может осуществляться синхронизация. Перепад может быть положительным (от отрицательной полярности к нулевой) или отрицательным (от положительной полярности к нулевой).

• Возможность передачи пакетов любой длины.

В отличие от кода NRZ, в коде RZ возможна временная привязка не только к началу пакета, но и к каждому отдельному биту, поэтому потери информации не произойдет при любой длине пакета. Момент окончания передачи может быть определен путем анализа изменения уровня сигнала в течение одного битового интервала. Первый битовый интервал, на котором уровень сигнала оставался без изменения соответствует окончанию передачи (рис. 4.21).

Рис. 4.21 - Определение окончания передачи в коде RZ.

Недостатки кода RZ:

• требуемая полоса пропускания канала связи вдвое больше, чем для кода NRZ при той же скорости передачи (за один битовый интервал происходит два перехода уровня сигнала),

• усложнение аппаратуры передачи данных (сигнал имеет три уровня),

• помехозащищенность ниже по сравнению с кодом NRZ (сигнал имеет три уровня),

• наличие постоянной составляющей (например, при передаче длинной последовательности единиц или нулей).

Из-за слишком широкого спектра код RZ используется редко.

Код RZ может применяться не только в сетях на основе электрического кабеля, но и в оптоволоконных сетях. Вместо уровней сигнала используются три уровня света: отсутствие света -соответствует отрицательному потенциалу, «средний свет» - нулевому потенциалу, «сильный свет» - положительному потенциалу (рис. 4.22).

Рис. 4.22 – Использование кода RZ в оптоволоконных сетях.

Манчестерский код, код Манчестер-II (manchester encoding) - двухфазный полярный код.

В данном коде используется два уровня сигнала. Информация кодируется перепадом потенциала в середине такта. Логическому нулю соответствует положительный перепад (от низкого уровня к высокому), логической единице – отрицательный (от высокого уровня к низкому). Если необходимо представить два одинаковых значения подряд, в начале такта происходит дополнительный служебный перепад потенциала (рис. 4.23).

Рис. 4.23 – Манчестерский код

Достоинства Манчестерского кода:

• Отличные самосинхронизирующиеся свойства.

Синхронизация осуществляется по обязательному перепаду уровня сигнала в середине такта,

• Возможность передачи пакетов любой длины

Аналогично коду RZ Манчестерский код позволяет обеспечить привязку к каждому отдельному биту. Момент окончания передачи также определяется по отсутствию перепада уровня сигнала в течение одного битового интервала (рис. 4.24).

Рис. 4.24 - Определение окончания передачи в Манчестерском коде.

• высокая помехозащищенность (сигнал имеет только 2 резко отличающихся уровня),

• упрощение аппаратуры передачи данных по сравнению с кодом RZ,

• Постоянная составляющая равна либо нулю, либо половине амплитуды сигнала (это позволяет обнаруживать столкновения пакетов в сети).

• Достаточно узкая требуемая полоса пропускания канала связи (в полтора раза уже, чем для кода RZ).

Манчестерский код является наиболее распространенным методом кодирования в локальных сетях. Он используется как в электрических, так и в оптоволоконных сетях. В последнем случае один уровень кодируется наличием света, другой – его отсутствием.