Лекция 8. Коды и кодирование сигналов

РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
РТФ
Радиотехнический институт УГТУ – УПИ
Инновационная образовательная
программа
Основы построения
телекоммуникационных
систем и сетей:
краткий курс лекций
Автор курса лекций:
Удинцев Владимир Николаевич, канд. техн. наук, доцент кафедры
ТСС УГТУ-УПИ
Екатеринбург
2008
2
Основы построения
телекоммуникационных
систем и сетей:
краткий курс лекций
лекция 8
Линейные коды и кодирование
видеосигналов
Цели лекции:



Знакомство с классификацией линейных
кодов;
Знакомство с основными видами линейных
кодов, применяемых в системах электросвязи;
Знакомство с основными понятиями и терминами.
4
Основные термины




Производительность источника – среднее количество информации,
выдаваемое источником за единицу времени.
Помехоустойчивость – способность системы связи противостоять
действию помех.
Помеха – любое воздействие на полезный сигнал, изменяющее его
информационный параметр и затрудняющее правильный прием сообщения. Могут быть атмосферными, обусловленными грозовыми разрядами и изменчивостью физических свойств атмосферы, индустриальными, связанными с эксплуатацией электроустановок различного назначения, системными, возникающими при работе системы связи, межсистемными, создаваемыми другими системами электросвязи, преднамеренными, умышленно созданными для противодействия нормальной
работе систем связи.
Относительная скорость передачи информации – отношение
пропускной способности канала связи с помехами к пропускной
способности этого канала без помех Сп/С (характеризует использование
пропускной способности двоичного канала).
5
Основные термины





Скорость телеграфирования (скорость манипуляции или модуляции) –
число единичных элементов сигнала, передаваемое в единицу времени
[Бод].
Цифровые сигналы данных (ЦСД) – сигналы дискретные по времени и
квантованные по уровню, что позволяет полностью их описать
ограниченным множеством чисел (временной последовательностью
цифр).
Цифровой код – математическая структура (закон) построения дискретных
сигналов, однозначно соответствующая передаваемым сообщениям,
алфавитом кодовых комбинаций которых служат цифры.
Цифроаналоговое преобразование – преобразование дискретной
последовательности цифровых отсчетов в непрерывный (аналоговый)
квантованный по уровню сигнал.
Регенерация – восстановление (по заранее заданному образцу – эталону)
амплитуды и формы цифровых сигналов данных (ЦСД).
6
Основные термины




Шум – любое мешающее случайное воздействие на полезный сигнал
(помеха), изменяющее его информационный параметр и затрудняющее
правильный прием сообщения, в том числе искажения (например, шум
ограничения), тепловые и электрические флюктуации проводимости
(тепловой шум), любой сигнал, отображающий информацию, не
интересующую получателя в настоящий момент времени.
Эффективная полоса частот сигнала (условная полоса реализации) –
ограниченная сверху полоса частот, необходимая для высококачественного
восстановления исходного сигнала (на практике обычно ограничиваются
полосой частот, содержащей не менее 90% спектра мощности исходного
сигнала).
Эффективная скорость передачи – скорость выдачи информации на
выходе приемника.
Равнодоступный (простой) код – код, любая кодовая комбинация
которого имеет во всей совокупности его кодовых комбинаций
комбинации, отличающиеся от первой лишь одним разрядом (имеет
минимально возможную помехозащищенность).
7
Основные термины




Код без возврата к нулю (беспаузный) (NRZ – non return to zero) –
обычная однополярная двоичная последовательность, передаваемая
импульсным признаком "да – нет", например, "1" есть импульс, "0" – нет
импульса (т.е. паузой передается символ "0").
Код с возвратом к нулю (RZ – return-to-zero) – однополярная двоичная
последовательность, где "1" передается импульсом с длительностью
равной тактовому интервалу, а "0" – импульсом вдвое меньшей
длительности (т.е. "0" передается символом "импульс – пауза").
Код с чередующейся инверсией знака (ЧПИ или AMI - Alternate Mark
Inversion) – биполярный код, где "0" передаётся чередованием импульсов
положительной и отрицательной полярности, а "1" нулевым уровнем
(пауза).
Модифицированный ЧПИ (код КВП-3 или HDB3 – High Density Bipolar3)
– чтобы дополнительно уменьшить постоянную составляющую и
обеспечить самосинхронизацию кода, в видеосигнал ЧПИ после трех
следующих подряд единиц вставляется "0" (процедура бит – стаффинга).
При декодировании "лишний" "0" изымается.
8
Виды линейных
видеосигналов





На выходе УПС может существовать четыре вида сигналов: непрерывный
непрерывного, непрерывный дискретного времени, дискретный
непрерывного и дискретный дискретного времени.
Первые кратко называют аналоговыми и это сигналы с АМ – амплитудной, ФМ – фазовой или ЧМ – частотной модуляцией.
Вторые кратко называют дискретными, они принимают всё множество
разрешённых значений, но существуют только в строго определённые
дискретные моменты времени (сигналы с АИМ – амплитудно-импульсной
модуляцией).
Третьи кратко называют квантованными, они скачкообразно изменяются в
произвольные моменты времени, но их значения принимают только разрешённые дискретные значения (сигналы с КАМ – кодово-амплитудной
модуляцией).
Четвёртые кратко называют цифровыми сигналами данных (ЦСД) или
также дискретными, поскольку они скачкообразно изменяются только в
разрешённые дискретные моменты времени и принимают только разрешённые дискретные значения (сигналы с ИКМ – импульсно-кодовой
9
модуляцией).
Виды линейных
видеосигналов




Первые три вида сигналов полностью случайны – их значения не могут
быть предсказаны на приемной стороне, ЦСД же имеют ограниченный
набор значений, который известен на приемной стороне, т.е. имеют
«шаблоны», а случайно лишь появление того или иного символа в тот или
иной момент времени.
Наиболее простым ЦСД является обычный двоичный сигнал (код), представленный импульсным признаком "да – нет". Такие коды носят название
"код без возврата к нулю" (беспаузный код) (NRZ – non return to zero),
например, "1" – импульс, "0" – нет импульса (пауза – символ "0").
Недостаток NRZ – кодов – присутствие в них случайной постоянной
составляющей.
Коды с возвратом к нулю (RZ – return-to-zero) – однополярные двоичные
последовательности, где "1" передается импульсом с длительностью равной тактовому интервалу, а "0" – импульсом вдвое меньшей длительности
(т.е. "импульс – пауза" – символ "0"), имеют меньшее значение постоянной составляющей, но их спектр шире, чем спектр первичного кода.
10
Требования к линейному
видеосигналу
Для передачи ЦСД по цифровому линейному тракту используется специальный
дискретный видеоимпульсный сигнал (линейный сигнал или сигнальнокодовая конструкция), параметры которого должны быть согласованы с
характеристиками среды передачи (направляющей системы). Для этого он должен
отвечать ряду специфических требований. Основные из них приведены ниже:





1.
Энергетический спектр передаваемых дискретных сигналов должен быть
сосредоточен в узкой полосе частот при отсутствии постоянной составляющей и мало
зависеть от статистических свойств исходной двоичной последовательности.
2.
Структура линейного сигнала должна обеспечивать возможность простого
выделения тактовой частоты.
3. Структура линейного сигнала должна обеспечивать возможность простого контроля
за коэффициентом ошибок (качеством канала) без перерывов связи.
4. Структура сигнала должна обеспечивать простую аппаратную реализацию и не
должна приводить к размножению ошибок.
Выполнение требования узкополосности энергетического спектра и отсутствия
постоянной составляющей уменьшает межсимвольную интерференцию и
обеспечивает возможность совместной работы с аналоговыми системами передачи
на параллельных или даже общих цепях. Остальные требования понятны из
вышеизложенного.
11
Требования к линейному
видеосигналу

Если проанализировать возможность передачи по линейному тракту
униполярных видеоимпульсов – двоичных сигналов, то несложно заметить, что такие импульсные последовательности не удовлетворяют ни
одному из вышеперечисленных требований. Поскольку на вероятность
появления тех или иных символов в исходной двоичной последовательности, нельзя наложить какие – то ограничения, то очевидно, что
видеосигнал должен обладать информационной избыточностью.
12
Синтез линейных
видеосигналов

Будем считать единичным элементом (ЕЭ) дискретного видеоимпульсного сигнала
любое возможное сочетание видеоимпульсов и пауз внутри тактового единичного
интервала (Т = ЕИ), отведённого для передачи одного символа. Пусть импульсы
имеют прямоугольную форму, их длительность равна Т или Т/2, а амплитуда А/2
или – А/2. Тогда число всех возможных ЕЭ (символов алфавита кода S(t)) будет
равно девяти. При увеличении числа разрядов кода S(t) число возможных
комбинаций возрастает.
13
Синтез линейных
видеосигналов

Если при передаче исходной двоичной последовательности в качестве
символа кода S(t) используется комбинация из двух любых ЕЭ этого
видеоимпульсного сигнала S(t)i и S(t)j, то общее число символов (алфавит
кода) в этом случае будет равно 36. Можно еще расширить алфавит,
используя комбинации из трех и более ЕЭ или увеличив число ЕЭ,
например, введением многопозиционной манипуляции по амплитуде.
Введение многопозиционной манипуляции по амплитуде позволяет
расширить алфавит кода, но снижает кодовое расстояние таких сигналов.
14
Общие требования к
линейному сигналу

Не все ЕЭ кода S(t)) удовлетворяют требованиям к дискретным сигналам
изложенным выше. Если учесть, что чем выше мощность ЕЭ сигнала, тем
он более помехоусточив, то наилучшие результаты будут при использовании ЕЭ S(t)1 для передачи "1" и S(t)2 для передачи "0" исходного двоичного кода (биполярный моноимпульсный сигнал). Но, в этом случае в
последовательности видеоимпульсов будет присутствовать постоянная
составляющая при повторяющихся "1" или "0" исходного кода.
15
Общие требования к
линейному сигналу


Эта постоянная составляющая не передается через разделительные
трансформаторы систем передачи, что вызывает искажения спектра
исходных видеосигналов. Кроме того, будет невозможно, особенно при
длинных последовательностях "0", которые встречаются достаточно
часто, выделение тактовой частоты для самосинхронизации приёмника
или регенераторов.
Сравнение других дискретных сигналов по помехоустойчивости можно
произвести по "эквивалентной" мощности ЕЭ этого сигнала:
T
2
1


PЭ   S (t )i  S (t ) j  dt
T 0

16
Требования по
синхронизации


При формировании любого цифрового сигнала (линейного кода) должна
предусматриваться возможность четкого отделения одного сигнального
символа от другого и одной кодовой комбинации от другой. В случае
равномерного кода границы кодовых комбинаций могут быть определены
простым подсчетом числа символов. Для неравномерных кодов, имеющих
различную длину кодовых слов, такой критерий разделения кодовых
комбинаций неприменим.
Из вышесказанного следует, что при приеме цифровых сигналов
необходима синхронизация приемника и передатчика – установление и
поддержание определенных фазовых соотношений между сигналами
передатчика и приемника. В большинстве случаев сигнал поэлементной
синхронизации (тактовой частоты) выделяется из принимаемой
дискретной импульсной последовательности, поэтому желательно, чтобы
линейный код обладал способностью к самосинхронизации.
17
Общие требования к
линейному сигналу

При использовании ЕЭ S(t)3 и S(t)4 (биимпульсный сигнал) вдвое возрастает
верхняя
граница
спектра
частот
передачи,
несколько
ухудшается
помехоустойчивость за счет уменьшения длительности однополярной посылки (–2
дБ), но зато сравнительно просто выделяется тактовая частота. Все остальные ЕЭ
будут иметь потенциальную помехоустойчивость ещё ниже. Например, широко
используемый сигнал ЧПИ (AMI) – чередования полярности импульсов, в котором
"1" передаётся чередованием ЕЭ S(t)5 и S(t)6, а "0" – пассивной паузой S(t)9, имеет
потенциальную помехоустойчивость на 9 дБ ниже, чем моноимпульсный. Таким
образом, можно предположить, что наилучшим образом удовлетворять
вышеперечисленным требованиям будет биимпульсный сигнал с алфавитом кода
из двух ЕЭ S(t)3 и S(t)4.
A
t
1
1 0
1 0
0
0
18
Кодирование линейных
сигналов – виды кодов


В большинстве случаев, путём преобразования статистических свойств
исходной двоичной последовательности, можно повысить устойчивость
выделения тактовой частоты. Если изменение статистических свойств
происходит при каких – либо определённых условиях (например, заданном
количестве подряд идущих "0"), то в результате будет сформированы
неалфавитные коды. Если же статистические свойства изменяются
путём деления исходной последовательности на одинаковые группы и
последующего преобразования этих групп в символы кода с другим
основанием счисления, то в результате будут сформированы
алфавитные коды (широко используются в технологиях HDSL).
Общим недостатком как алфавитных так и неалфавитных кодов является
декодирование с размножением ошибок.
19
Алфавитные коды



Использование алфавитных кодов повышает стабильность признаков тактовой частоты и снижает скорость передачи их символов или увеличивает пропускную способность системы передачи. Для алфавитных кодов приняты следующие обозначения. В
названии кода nBkM первое число n указывает число символов двоичной группы, обозначенной буквой В (Binary). Второе число k указывает на число символов в
группе кода с основанием счисления М > 2. Буквой Т обозначают троичное
(Ternary), Q – четверичное (Quaternary), QI - пятеричное (Quinary), S – шестеричное
(Sextenary), H – семеричное (Heptanary) и т.д. Например, в коде 3В2Т – каждая группа из трех двоичных символов преобразуется в группу из двух троичных символов.
Алфавитное кодирование имеет избыточность преобразования (2n < Mk), что
обеспечивает независимую передачу групп двоичных символов группами символов
М – ичного кода со снижением тактовой частоты в Км = n/k раз.
Избыточность кода: r = k/n log2M – 1. Предельный коэффициент снижения
тактовой частоты (при r = 0): Км макс= lim n/k = log2M.
20
Неалфавитные коды



Основное достоинство неалфавитных кодов – простота прямого и обратного
преобразования равнодоступных первичных кодов.
Среди неалфавитных кодов наиболее известны коды HDBn и BnZS, в которых
последовательность двоичных "0" заменяется сочетанием импульсов и пауз.
Используются, как и в сигнале ЧПИ, элементы троичного сигнала S(t)9, S(t)5 и
S(t)6 , но с нарушением условия чередования полярности импульсов. Предельная
помехоустойчивость – такая же, как и у сигнала ЧПИ, но максимальная частота
спектра увеличивается (до 0,6 – 0,7 fт) за счет сокращения числа ЕЭ типа S(t)9, не
содержащих признаков тактовой частоты.
Код HDB3 (High Density Bipolar 3) или КВП – 3 (код высокой плотности)
используется в цифровых системах передачи плезиохронной иерархии. Цифра 3
указывает на максимально возможное число последовательных нулей в кодовой
последовательности. В коде КВП – 3 осуществляется замена трех и более "0"
импульсом, нарушающим правило чередования полярности ЕЭ, т. е. если
полярность импульсов одна и та же – передаётся серия "0", смена полярности –
передаётся "1".
21
Неалфавитные коды

Код B3ZS – модифицированный квазитроичный – биполярный с замещением трех
нулей. Символы "1" передаются чередованием ЕЭ S(t)5 и S(t)6, а "0" – пассивной
паузой S(t)9. При появлении в двоичной последовательности трёх и более "0"
каждая группа из трёх нулей заменяется комбинацией "B0V" или "00V", где В –
импульс, отвечающий правилу чередования полярности логических "1", а V –
импульс, нарушающий это правило. Выбор замещающих комбинаций
производится так, чтобы число импульсов вида В между соседними импульсами
вида V было нечётным. Например, в США используют схему кодировки B8ZS
(Bipolar with 8 Zeros Substitution), где 8 следующих подряд нулей кодируются как
00B0VB0V.
22
Контрольные вопросы











Чем дискретный кодированный видеосигнал отличается от первичного
дискретного кодированного сигнала?
Какие коды называются "кодами без возврата к нулю" (NRZ)?
Чем алфавитные канальные коды отличаются от неалфавитных?
Назовите правила формирования алфавитного кода.
Зачем в неалфавитных кодах производится процедура бит-стаффинга?
Назовите основные свойства самосинхронизирующихся кодов.
Перечислите основные требования к линейным (канальным) кодам.
Что такое «размножение ошибок»?
Почему при вероятности искажения символов равной 0,5 пропускная
способность двоичного канала передачи стремится к нулю?
Что такое «модифицированный неалфавитный код»?
Почему в линейных видеосигналах (кодах) не должно быть постоянной
составляющей? Как она определяется?
23
Информационное обеспечение
лекции
Список литературы






Помехоустойчивое кодирование. Методы и алгоритмы. Справочник.
Золоторев В., Овечкин Г. – М.: Горячая линия – Телеком, 2004.
Прокис Дж. Цифровая связь. Пер. с англ. / Под ред. Д.Д. Кловского.
– М.: Радио и связь, 2000. – 800 с.: ил.
Гаранин М.В. и др. Системы и сети передачи информации: Учеб.
пособие для вузов. – М.: Радио и связь, 2001. – 336 с.:ил.
Дансмор Б. Справочник по телекоммуникационным технологиям. –
М.: Диалектика, 2004.
Новик А.А. Эффективное кодирование. – М.: Энергия, 1965.
Додд Аннабел 3. Мир телекоммуникаций. Обзор технологий и
отрасли. Пер. с англ. – М.: ЗАО «Олимп—Бизнес», 2002. – 400 с.:
ил.
24
Конец фильма
Спасибо за внимание!