КЛАССИФИКАЦИЯ
Линейные коды ВОСП классифицируются по степени стандартизации и применению в существующих одномодовых системах передачи с аппаратурой мультиплексирования PDH, SDH, VWDM и некоторой другой [6].
Линейные коды классифицируются: скремблированный, безызбыточные, избыточные, блочные, коды со вставками. Из выше перечисленных рассмотрим первые два.
Скремблированный линейный код в формате передачи NRZ (Non Return to Zero – без возврата к нулю на тактовом интервале). Код обеспечивает выполнение требований, предъявляемых к линейным сигналам.
Безызбыточные коды подразделяются:
- NRZ – L (без возвращения к нулю на тактовом интервале - абсолютный) - точно повторяет информационную последовательность;
- NRZ – S и NRZ – M – относительные коды, то есть изменяющие состояния в последовательности после логического нуля (S) или логической единицы (M).
Информационные импульсы этих кодов имеют длительность Т; при этом “единица” - активная длительность и “нуль” - пауза, простирающаяся на весь тактовый интервал (Т1=Т0). При передаче этих кодов скорость передачи в линии не изменяется. Эти коды не получили широкого распространения из-за несоответствия требованиям к линейным сигналам.
Алгоритм формирования скремблированного линейного сигнала
Схема псевдослучайного скремблирующего кода представлена на рисунке 1
Рисунок 1 - Схема формирования скремблирующей последовательности
Псевдослучайную последовательность формируют семь D – триггеров и сумматор по модулю два. Цифровые данные перемещаются из триггера в триггер при поступлении опорного такта на вход “С”. Благодаря сумматору по модулю два образуется псевдослучайный код.
Результат операции сложения по модулю два в таблице 1
Таблица 1 – Операция сложения по модулю два
А + |
В = |
С |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
Псевдослучайная последовательность в ВОСП для линейного кодирования формируется циклически, так линейный код SDH воспроизводится за сто двадцать семь тактов.(G.707) Для формирования линейного скремблированного кода в формате NRZ генерируется образующий полином по схеме: g(x) = 1 + х 6 + х 7, где х n обозначает единицу в n – м разряде, то есть в разрядах шестом и седьмом. Общая длина скремблирующей последовательности равна семи.
На приеме нужно повернуть процедуру в обратном порядке.
Загрузка производится по общей шине. Загрузка исходного состояния “единица”.
Процедура скремблирования на рисунке 2 (процедура суммирования по модулю два).
Рисунок 2 - Формирование псевдослучайного скремблирующего кода
После скремблирования происходит формирование линейного сигнала NRZ (рисунок 3)
Рисунок 3 - Формирование линейного сигнала NRZ
При скремблировании линейного сигнала системы SDH группа двоичных символов, расположенная в начале цикла STM – N не подвергается преобразованию в скремблере. Эта группа символов (шесть байт * N) образует синхрослово, которое нужно для распознавания цикла STM – N на приемной стороне. Обнаружение цикла STM – N в приемной части позволяет запустить процедуру дескремблирования и восстанавливать информационный сигнал из линейного.
Основные достоинства скремблированного линейного сигнала ВОСП:
1) стабильность скорости передачи по линии;
2) достаточно точное выделение тактовой частоты для регенерации;
3) скремблер делает любой информационный сигнал помехоустойчивым при передаче по ВОЛС.
Недостаток: возможность размножения ошибок (поэтому длительность делают ограниченной, циклической).
Алгоритм формирования безызбыточных кодов.
Достоинством этих кодов является то, что они просты при формировании.
Рассмотрим временные диаграммы (с их помощью закодирована одна последовательность):
Коды без избытка:
NRZ – L: абсолютный код, где единицы передаются высоким логическим уровнем на весь тактовый интервал.
RZ – L: абсолютный код, с возвращением к нулю (пятьдесят процентов). Исключает длинную серию единичных импульсов, так как пятьдесят процентов – это возврат к нулю. Длительность импульсов в два раза уменьшается.
Относительные коды: изменение состояния происходит только при низком уровне сигнала.
NRZ – S: в единичном состоянии не меняет состояние. Нуль меняет свой знак на противоположный.
NRZ – M: управление состоянием линейного кода высоким уровнем информационного сигнала и не зависит от низкого уровня информационного
сигнала. Каждая информационная единица меняет свое состояние на выходе декодера. Это кодирование может передавать какую – нибудь однородность.
Но бывают случаи, когда появляются длинные серии единиц или нулей.
На рисунке 4 изображен пример формирования кода NRZ
4
Рисунок 4 - Пример формирования кода NRZ
Рассмотрим задачу перекодирования исходной двоичной последовательности в двоичный линейный код. Для этого подробнее остановимся на недостатках простейшего безызбыточного NRZ – кодирования.
Безызбыточность исключает возможность контроля за качеством работы регенераторов без прерывания связи и использования связи и использования специальных испытательных сигналов, поскольку любые комбинации импульсов и пауз при таком кодировании являются разрешенными. Элементные ошибки в виде замены импульса на паузу или наоборот не приводят к изменениям структуры линейных сигналов и не могут быть обнаружены без дополнительной априорной информации о передаваемых сообщениях.
Временная функция математического ожидания NRZ – сигнала не имеет переменной составляющей. Это означает, что в его спектре (спектральной плотности мощности случайного процесса) отсутствуют дискретные составляющие на тактовой частоте fт = 1 / Т, либо кратных ей частотах. Затрудняется синхронизация приемного устройства – установление границ тактовых интервалов, необходимое для надежного принятия решения о сигнале. Группирование длинных последовательностей нулей (пауз) может приводить к срыву синхронизации.
Возможность группирования импульсов и пауз в любом их сочетании приводит к значительному содержанию низкочастотных составляющих спектра, вплоть до нулевой частоты. Это усложняет обработку сигнала в приемном устройстве. Одновременно, что специфично для ВОСП, затрудняется и автоподстройка режима работы лазера в передающем устройстве, которая нужна для стабилизации пиковой мощности лазера.
В некоторых случаях к недостаткам рассматриваемого исходного кода можно отнести равновероятность импульсов и пауз в линейном сигнале. Осуществляя кодирование с p(1) < p(0), то есть с менее вероятными активными импульсами, можно при заданной средней мощности увеличить энергию в импульсе и повысить помехоустойчивость передачи [7].
Уйти от перечисленных недостатков можно только путем избыточного кодирования. При использовании двухуровневых сигналов введение избыточности требует увеличения числа элементарных двоичных сигналов на заданном интервале времени по отношению к числу элементарных сигналов исходной последовательности. Сигналы, приведенные на рисунке 1.4, отражают варианты безызбыточного кодирования заданной последовательности. В таких кодах все комбинации допустимы, поэтому обнаружение ошибок в работе регенератора по его выходному сигналу исключено. Эти сигналы обозначаются буквами NRZ. В первом варианте кодирования (рисунок 4 (а)) “единицы” и “нули” исходной последовательности представляются соответственно верхними и нижними уровнями сигнала. Такое кодирование называют абсолютным и обозначают буквой L. По существу, безызбыточный код типа NRZ – L является первичным кодом (ИКМ – сигналов). В другом варианте кодирования (рисунок 4 (в)) символу “единица” исходной NRZ – L последовательности соответствует повторение уровня предыдущего элемента (сохранение состояния) в последовательности преобразованного сигнала, символу “нуль” - появление альтернативного уровня (состояния) по отношению к предыдущему элементу в последовательности преобразованного сигнала.
Такой код называется относительным и обозначается буквой S (NRZ – S). Следующий вариант относительного кода, в котором сохранение состояния соответствует символу “нуль”, а изменение состояния – символу “единица”, обозначают буквой M (NRZ – M).
Безызбыточные коды редко применяют в оптических системах в виду того, что в спектре присутствуют постоянные составляющие (низкочастотные спектральные составляющие), которые подавляются и в оптических передатчиках и в оптических приемниках, что сильно искажает информационный сигнал.
Отметим еще один код, в котором сочетаются достоинства простоты кодирования с возможностью выделения fт заданной фазы с помощью линейного фильтра. Это код CMI (Coded Marc Inversion – код с инверсией групп символов), представлен на рисунке 1.5.
Рисунок 5 - Реализация сигналов кода CMI
Этот код относят к кодам манчестерским относительным.
Здесь поочередно блоками 11 и 00 кодируются только “единица” исходной последовательности, “нуль” же кодируется неизменно блоком 01, что и обеспечивает в спектре наличие дискрета на частоте fт = 1 / Т.
Избыточность кода CMI легко перераспределить на обслуживание служебного канала. С этой целью можно использовать “запрещенный” в обычном режиме блок 10, а также нарушение чередований 11 и 00. Конечно, на время служебной связи следует предусматривать блокировку систем контроля ошибок.
Подобная возможность потенциально заложена и в других кодах 1B2B, но в CMI задача решается особенно просто.
Гарантирована тактовая частота: fт выхода = fт входа.
Недостаток CMI – это возможность группирования трех символов “единиц” или “нулей”. Код CMI рекомендован МККТТ к использованию в системах связи. Можно отметить, что все коды с поочередной инверсией токовых сигналов типа CMI относительно легко сопрягаются с системами, использующими троичные сигналы.
Анализ и сравнение кодов.
В настоящее время МККТТ еще не разработаны рекомендации по выбору кодов для ВОСП. Существует лишь отдельный проект.
Приведенные выше требования к линейным кодам в некотором аспекте являются взаимоисключающими и зависят от различных факторов. Только конкретные условия и состояния работы ВОСП определяют предпочтительность выбора одного из рассмотренных кодов. Также отметим, что нет четкого разграничения по использованию того или иного кода в ВОСП.
Для сравнения кодов используют как временные (ТЦС – текущая цифровая сумма, НЦС – накопленная цифровая сумма, величина группирования пауз, и другое), так и энергетические характеристики (ширина энергетического спектра, отношение величин мощностей дискретной и непрерывной составляющих энергетического спектра в полосе пропускания фильтра выделителя тактовой частоты, величина проигрыша по мощности избыточного кодирования по сравнению с непосредственной или скремблированной передачей, и другое).
При рассмотрении структуры линейного кода легко заметить, что осуществить выделение тональной частоты тем проще, чем больше число переходов уровня в цифровом сигнале, то есть чем больше переходов “10” или “01”, при которых синусоидальное колебание тактовой частоты легко “вписывается” в структуру кода. Если же в коде имеются длинные последовательности со значительным преобладанием одинаковых символов, спектр будет содержать низкочастотные составляющие, что затруднит обработку сигнала в приемных устройствах и регенераторах.
Такой случай неизбежен при безызбыточном кодировании (NRZ). Достоинствами этих кодов являются простота, относительная узость спектра и высокая энергетическая эффективность. Но такие коды характеризуются такими существенными недостатками, как высокий уровень низкочастотных составляющих, невозможность контроля ошибок, отсутствие дискретных составляющих в энергетическом спектре. Поэтому указанные линейные коды применяют редко, лишь при небольших расстояниях связи. Для улучшения статистических свойств сигналов используют скремблирование исходного двоичного сигнала для превращения его в сигнал, близкий к случайному, имеющему биноминальное распределение вероятностей появления любой комбинации (при равновероятном появлении символов “единиц” и “нулей”).
Скремблирование осуществляют с помощью устройства, реализующего логическую операцию суммирования по модулю два исходной двоичной последовательности и преобразующего случайного сигнала, в качестве которого используются псевдослучайные последовательности (ПСП). Выбор ПСП, наиболее близкой к случайному сигналу, является достаточно сложной задачей. В качестве наиболее эффективных ПСП часто используется М – последовательности периода N = 2n -1 (где n – целое число).