Код линии

Пример кодирования двоичного сигнала с использованием прямоугольной импульсно-амплитудной модуляции полярным без возврата к нулю кодом

Пример дифференциального манчестерского кодирования

В телекоммуникациях линейный код — это образец напряжения, тока или фотонов, используемый для представления цифровых данных, передаваемых по каналу связи или записываемых на носитель данных . Этот набор сигналов обычно называют ограниченным кодом в системах хранения данных. ^[1] Некоторые сигналы более подвержены ошибкам, чем другие, поскольку физика канала связи или носителя данных ограничивает набор сигналов, которые можно надежно использовать. ^[2]

Общие линейные кодировки — униполярный , полярный , биполярный и манчестерский код .

Передача и хранение

После линейного кодирования сигнал передается через физический канал связи, либо среду передачи , либо среду хранения данных . ^[3]^[4] Наиболее распространенными физическими каналами являются:

сигнал с линейным кодированием может быть передан непосредственно в линию передачи в виде изменений напряжения или тока (часто с использованием дифференциальной сигнализации ).
сигнал с линейным кодированием ( основной полосы частот сигнал ) подвергается дальнейшему формированию импульса (чтобы уменьшить полосу частот), а затем модулируется (чтобы сдвинуть его частоту) для создания радиочастотного сигнала , который можно отправить через свободное пространство.
сигнал с линейной кодировкой может использоваться для включения и выключения источника света в оптической связи в свободном пространстве , чаще всего используется в инфракрасном пульте дистанционного управления .
сигнал с линейной кодировкой можно распечатать на бумаге для создания штрих-кода .
сигнал с линейной кодировкой может быть преобразован в намагниченные пятна на жестком диске или ленточном накопителе .
сигнал с линейным кодированием может быть преобразован в питы на оптическом диске .

Некоторые из наиболее распространенных двоичных линейных кодов включают:

Сигнал	Комментарии	1 штат	0 состояние
НРЗ–Л	Уровень невозврата к нулю . Это стандартный формат сигнала положительной логики, используемый в цифровых схемах.	заставляет высокий уровень	заставляет низкий уровень
НРЗ–М	Невозврат к нулевой отметке	вызывает переход	ничего не делает (продолжает отправлять предыдущий уровень)
NRZ–S	Пространство без возврата к нулю	ничего не делает (продолжает отправлять предыдущий уровень)	вызывает переход
РЗ	Вернуться к нулю	переходит в высокий уровень в течение половины битового периода и возвращается в низкий уровень	остается низким в течение всего периода
Бифаза–L	Манчестер. Два последовательных бита одного типа вызывают переход в начале битового периода.	вызывает отрицательный переход в середине бита	вызывает положительный переход в середине бита
Бифаза–М	Вариант Дифференциального Манчестера. Между условными переходами всегда существует переход на полпути.	вызывает переход	сохраняет уровень постоянным
Бифаза–S	Дифференциал Манчестера, используемый в Token Ring. Между условными переходами всегда существует переход на полпути.	сохраняет уровень постоянным	вызывает переход
Дифференциальный Манчестер (Альтернатива)	Нужны часы, всегда переход в середине такта	представлено отсутствием перехода.	представлен переходом в начале тактового периода.
Биполярный	Положительные и отрицательные импульсы чередуются.	вызывает положительный или отрицательный импульс в течение половины битового периода	сохраняет нулевой уровень в течение битового периода

Каждый линейный код имеет свои преимущества и недостатки. Коды линий выбираются так, чтобы они соответствовали одному или нескольким из следующих критериев:

Минимизируйте передающее оборудование
Облегчение синхронизации
Упрощение обнаружения и исправления ошибок
Достижение целевой спектральной плотности
Устранить компонент постоянного тока

Несоответствие

Большинство каналов связи на большие расстояния не могут надежно передавать компонент постоянного тока . Компонент постоянного тока также называется диспаратностью , смещением или коэффициентом постоянного тока . Несоответствие битового шаблона — это разница в количестве единиц и числа нулевых битов. Текущая несоответствие представляет собой промежуточную сумму несоответствия всех ранее переданных битов. ^[5] Самый простой линейный код, униполярный , дает слишком много ошибок в таких системах, поскольку имеет неограниченную постоянную составляющую.

В большинстве линейных кодов отсутствует составляющая постоянного тока — такие коды называются сбалансированными по постоянному току , с нулевым постоянным током или без постоянного тока. Существует три способа устранения составляющей постоянного тока:

Используйте код постоянного веса . Каждое передаваемое кодовое слово в коде с постоянным весом спроектировано таким образом, что каждое кодовое слово, содержащее несколько положительных или отрицательных уровней, также содержит достаточное количество противоположных уровней, так что средний уровень по каждому кодовому слову равен нулю. Примеры кодов с постоянным весом включают манчестерский код и Interleaved 2 of 5 .
Используйте парный код несоответствия . Каждое кодовое слово в парном коде несоответствия, среднее значение которого достигает отрицательного уровня, соединяется с другим кодовым словом, среднее значение которого достигает положительного уровня. Передатчик отслеживает текущее нарастание постоянного тока и выбирает кодовое слово, которое возвращает уровень постоянного тока к нулю. Приемник спроектирован таким образом, что любое кодовое слово пары декодируется в одни и те же биты данных. Примеры парных кодов несоответствия включают альтернативную инверсию меток , 8b/10b и 4B3T .
Используйте скремблер . Например, скремблер, указанный в RFC 2615 для кодирования 64b/66b .

Полярность

Биполярные линейные коды имеют две полярности, обычно реализуются как RZ и имеют систему счисления три, поскольку существует три различных выходных уровня (отрицательный, положительный и нулевой). Одним из основных преимуществ этого типа кода является то, что он позволяет исключить любую составляющую постоянного тока. Это важно, если сигнал должен проходить через трансформатор или длинную линию передачи.

К сожалению, некоторые каналы дальней связи имеют неоднозначность полярности. В этих каналах компенсируются линейные коды, нечувствительные к полярности. ^[6]^[7]^[8]^[9] Существует три способа обеспечения однозначного приема битов 0 и 1 по таким каналам:

Соедините каждое кодовое слово с обратной полярностью этого кодового слова. Приемник спроектирован таким образом, что любое кодовое слово пары декодируется в одни и те же биты данных. Примеры включают инверсию альтернативных меток , дифференциальное манчестерское кодирование , инверсию кодированных меток и кодирование Миллера .
дифференциальное кодирование каждого символа относительно предыдущего символа. Примеры включают кодировку MLT-3 и NRZI .
Инвертируйте весь поток при инвертированных синхвордов обнаружении , возможно, используя переключение полярности.

Коды с ограниченной длиной серии

Для надежного восстановления тактового сигнала в приемнике на сгенерированную канальную последовательность может быть наложено ограничение на длину серии , т. е. максимальное количество последовательных единиц или нулей ограничивается разумным числом. Период тактового сигнала восстанавливается путем наблюдения за переходами в полученной последовательности, так что максимальная длина серии гарантирует достаточное количество переходов для обеспечения качества восстановления тактового сигнала.

Коды RLL определяются четырьмя основными параметрами: m , n , d , k . Первые два, m / n , относятся к скорости кода, а остальные два определяют минимальное d и максимальное k количество нулей между последовательными. Это используется как в телекоммуникационных системах, так и в системах хранения данных, которые перемещают носитель мимо фиксированной записывающей головки . ^[10]

В частности, RLL ограничивает длину отрезков (серий) повторяющихся битов, в течение которых сигнал не изменяется. Если прогоны слишком длинные, восстановление тактовой частоты затруднено; если они слишком короткие, высокие частоты могут быть ослаблены каналом связи. Модулируя декодировании сохраненных данных , данные , RLL уменьшает неопределенность синхронизации при что может привести к возможной ошибочной вставке или удалению битов при обратном чтении данных. Этот механизм гарантирует, что границы между битами всегда можно точно найти (предотвращая проскальзывание битов ), при этом эффективно используя носитель для надежного хранения максимального объема данных в заданном пространстве.

В ранних дисководах использовались очень простые схемы кодирования, такие как код RLL (0,1) FM, за которым следовал код RLL (1,3) MFM, которые широко использовались в жестких дисках до середины 1980-х годов и до сих пор используются в цифровых оптических устройствах. такие диски, как CD , DVD , MD , Hi-MD и Blu-ray, с использованием кодов EFM и EFMPLus . ^[11] Коды RLL (2,7) и RLL (1,7) более высокой плотности стали де-факто стандартами для жестких дисков к началу 1990-х годов. ^{[ нужна ссылка ]}

Синхронизация

Линейное кодирование должно позволить приемнику синхронизироваться с фазой принимаемого сигнала. Если восстановление тактового сигнала не идеально, то декодируемый сигнал не будет дискретизироваться в оптимальные моменты времени. Это увеличит вероятность ошибки в полученных данных.

Двухфазные линейные коды требуют по крайней мере одного перехода за битовое время. Это облегчает синхронизацию трансиверов и обнаружение ошибок, однако скорость передачи данных выше, чем у кодов NRZ.

Другие соображения

Линейный код обычно отражает технические требования к среде передачи, например, к оптическому волокну или экранированной витой паре . Эти требования уникальны для каждой среды, поскольку каждая из них имеет различное поведение, связанное с помехами, искажениями, емкостью и затуханием. ^[12]

Общие коды линий

2B1Q
4B3T
4B5B
Кодировка 6b/8b
Кодирование 8b/10b
Кодировка 64b/66b
Кодировка 128b/130b
Альтернативная инверсия знака (AMI)
Инверсия кодовой метки (CMI)
EFMPlus , используемый в DVD
Модуляция от восьми до четырнадцати (EFM), используемая на компакт-дисках.
Код Хэмминга
Гибридный троичный код
Код Манчестера и дифференциал Манчестера
Марк и пробел
Кодировка МЛТ-3
Модифицированные коды AMI : B8ZS, B6ZS, B3ZS, HDB3.
Модифицированная частотная модуляция , кодирование Миллера и кодирование задержки.
Безвозврат к нулю (NRZ)
Без возврата к нулю, инвертированный (NRZI)
Импульсно-позиционная модуляция (PPM)
Возврат к нулю (RZ)
TC-PAM

Оптические линейные коды

См. также

Физический уровень
Самосинхронизирующийся код и битовая синхронизация

Ссылки

^ К. Шухамер Имминк (2022). «Инновации в ограниченных кодах» . Журнал коммуникаций IEEE . Проверено 5 октября 2022 г.
^ К. Шухамер Имминк (2001). «Обзор кодов для записи на оптические диски» . Журнал IEEE по избранным областям коммуникаций . 19 : 751–764 . Проверено 5 февраля 2018 г.
^ Карл Полсен. «Кодирование магнитных носителей информации». Архивировано 21 мая 2014 г. в Wayback Machine .2007.
^ Абдуллатиф Гласс; Нидхал Абдулазиз; и Эса Бастаки (2007), «Кодирование наклонной линии для телекоммуникационных сетей» , Международная конференция IEEE по обработке сигналов и связи , Дубай: IEEE: 1537, Линейные коды... облегчают передачу данных по телекоммуникационным и компьютерным сетям и их хранение в мультимедийные системы.
^ Йенс Крёгер (2014). «Передача данных с высокой скоростью через Kapton Flexprints для эксперимента Mu3e» (PDF) . п. 16. Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г.
^ US 4387366 , Питер Э. К. Чоу, «Преобразователь кода для систем передачи, нечувствительных к полярности», опубликовано в 1983 г.
^ Дэвид А. Гланцер, «4.7 Полярность», Руководство по применению Fieldbus... Подключение и установка (PDF) , Fieldbus Foundation , стр. 10, заархивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г.
^ Джордж К. Кларк младший; Дж. Бибб Кейн (2013). Кодирование с коррекцией ошибок для цифровой связи . Springer Science & Business Media. п. 255. ИСБН 9781489921741 . Когда используется модуляция данных PSK, существует вероятность неоднозначности полярности принимаемых символов канала. Эту проблему можно решить одним из двух способов. Во-первых... так называемый прозрачный код. ...
^ Пракаш К. Гупта (2013). Передача данных и компьютерные сети . PHI Learning Pvt. ООО с. 13. ISBN 9788120348646 . Еще одним преимуществом дифференциального кодирования является его нечувствительность к полярности сигнала. ... Если выводы витой пары случайно перепутались...
^ Кес Шухамер Имминк (декабрь 1990 г.). «Последовательности с ограниченной длиной» . Труды IEEE . 78 (11): 1745–1759. дои : 10.1109/5.63306 . Дано подробное описание ограничивающих свойств последовательностей с ограниченной длиной.
^ Кес Шухамер Имминк (1995). «EFMPlus: формат кодирования мультимедийного компакт-диска» . Транзакции IEEE по бытовой электронике . CE-41: 491–497. Описана высокоплотная альтернатива EFM.
^ Донг, Цзелин (2007). Сетевой словарь . Javvin Technologies Inc. с. 284. ИСБН 9781602670006 .

В этой статье использованы общедоступные материалы из Федеральный стандарт 1037C . Управление общего обслуживания . Архивировано из оригинала 22 января 2022 г. (в поддержку MIL-STD-188 ).

Внешние ссылки

[1] К. Шухамер Имминк (2022). «Инновации в ограниченных кодах» . Журнал коммуникаций IEEE . Проверено 5 октября 2022 г.

[optics-2] К. Шухамер Имминк (2001). «Обзор кодов для записи на оптические диски» . Журнал IEEE по избранным областям коммуникаций . 19 : 751–764 . Проверено 5 февраля 2018 г.

[paulsen-3] Карл Полсен. «Кодирование магнитных носителей информации». Архивировано 21 мая 2014 г. в Wayback Machine .2007.

[4] Абдуллатиф Гласс; Нидхал Абдулазиз; и Эса Бастаки (2007), «Кодирование наклонной линии для телекоммуникационных сетей» , Международная конференция IEEE по обработке сигналов и связи , Дубай: IEEE: 1537, Линейные коды... облегчают передачу данных по телекоммуникационным и компьютерным сетям и их хранение в мультимедийные системы.

[5] Йенс Крёгер (2014). «Передача данных с высокой скоростью через Kapton Flexprints для эксперимента Mu3e» (PDF) . п. 16. Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г.

[6] US 4387366 , Питер Э. К. Чоу, «Преобразователь кода для систем передачи, нечувствительных к полярности», опубликовано в 1983 г.

[7] Дэвид А. Гланцер, «4.7 Полярность», Руководство по применению Fieldbus... Подключение и установка (PDF) , Fieldbus Foundation , стр. 10, заархивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г.

[8] Джордж К. Кларк младший; Дж. Бибб Кейн (2013). Кодирование с коррекцией ошибок для цифровой связи . Springer Science & Business Media. п. 255. ИСБН 9781489921741 . Когда используется модуляция данных PSK, существует вероятность неоднозначности полярности принимаемых символов канала. Эту проблему можно решить одним из двух способов. Во-первых... так называемый прозрачный код. ...

[9] Пракаш К. Гупта (2013). Передача данных и компьютерные сети . PHI Learning Pvt. ООО с. 13. ISBN 9788120348646 . Еще одним преимуществом дифференциального кодирования является его нечувствительность к полярности сигнала. ... Если выводы витой пары случайно перепутались...

[10] Кес Шухамер Имминк (декабрь 1990 г.). «Последовательности с ограниченной длиной» . Труды IEEE . 78 (11): 1745–1759. дои : 10.1109/5.63306 . Дано подробное описание ограничивающих свойств последовательностей с ограниченной длиной.

[11] Кес Шухамер Имминк (1995). «EFMPlus: формат кодирования мультимедийного компакт-диска» . Транзакции IEEE по бытовой электронике . CE-41: 491–497. Описана высокоплотная альтернатива EFM.

[12] Донг, Цзелин (2007). Сетевой словарь . Javvin Technologies Inc. с. 284. ИСБН 9781602670006 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

v т и Линейное кодирование (цифровая передача в основной полосе частот)
Основные статьи	Униполярное кодирование Биполярное кодирование Вкл-выкл. манипуляция Марк и пробел
Базовые коды линий	Возврат к нулю (РЗ) Безвозврат к нулю, уровень (NRZ/NRZ-L) Без возврата к нулю, инвертированный (NRZ-I) Без возврата в ноль, пробел (NRZ-S) Манчестер Дифференциальный Манчестер/двухфазный (Bi-φ)
Расширенные коды линий	Условная дифаза 4B3T 4B5B 2B1Q Альтернативная инверсия знака Измененный код AMI Инверсия кодового знака Кодировка МЛТ-3 Гибридный троичный код Кодировка 6b/8b Кодирование 8b/10b Кодировка 64b/66b Модуляция от восьми до четырнадцати Кодировка задержки/Миллера TC-PAM
Оптические линейные коды	Возврат к нулю с подавлением несущей Альтернативная фаза возврата в ноль
См. также: Основная полоса частот Бод Битрейт Цифровой сигнал Цифровая передача Физический уровень Ethernet Методы импульсной модуляции Амплитудно-импульсная модуляция (ПАМ) Импульсно-кодовая модуляция (ИКМ) Последовательная связь Категория:Линейные коды