7.2.1. Основные определения и требования к кодам
7.2.2. Основные параметры кодов
7.2.3. Линейные коды в ВОСП, их классификация
7.2.4. Алгоритм формирования скремблированного линейного сигнала
7.2.1. Основные определения и требования к кодам
Основные характеристики ВОСП – волоконно-оптических систем передач (длина регенерационного участка, метод обработки сигналов, система контроля ошибок в регенераторах, помехозащищенность, искажение сигналов в линии и другое) в значительной степени зависят от выбора кода в линии.
Особенности построения линейных кодов для цифровых ВОСП зависят от физических свойств среды распространения сигналов. Оптическое волокно как среда передачи сигналов, а также источник излучения в передающем и фотодетектор в приемном оптических модулях предъявляют специфические требования к свойствам сигнала.
Так как импульсные посылки излучаемой оптической мощности могут быть только положительными или нулевыми, (интенсивность оптического излучения является по самой природе положительной величиной), невозможно непосредственное использование биполярных кодов, применяемых при передаче информации по электрическим кабелям связи.
В ВОСП использование кода с основанием n>2 (многоуровневые коды) не нашло широкого применения. Причиной являются нелинейность модуляционной характеристики и температурная зависимость мощности излучателя, например, лазерного диода, что приводит к необходимости использования двухуровневых кодов. Таким образом, в ВОСП с прямым детектированием и применением модуляции по интенсивности света линейный сигнал в большинстве случаев представляет собой дискретное сообщение, выраженное в двоичном коде (n = 2, символы кода "1" и "0"), представляющее случайную последовательность импульсов одинаковой формы, следующих друг за другом через постоянные интервалы времени длительностью Т, называемые тактовыми интервалами. Такие сигналы носят название случайных сигналов с детерминированными тактовыми интервалами.
К линейным кодам ВОСП предъявляются следующие основные требования:
1. Непрерывная часть энергетического спектра кода должна иметь минимальную спектральную плотность на нулевой частоте, а также низкочастотные и высокочастотные составляющие. Ограничение спектра в области нижних частот связано в основном с требованием безыскаженной передачи принимаемого цифрового сигнала усилителем переменного тока фотоприемника, так как в противном случае для реализации оптимальных условий приема перед решающим устройством надо вводить дополнительное устройство, предназначенное для восстановления низкочастотной составляющей. Это усложняет и удорожает оборудование линейного тракта. Большое усиление при постоянном токе вызывает значительный дрейф постоянной составляющей. Это ограничение является очень жестким для систем, которые используют оптические приемники с высокой чувствительностью.
2. Линейный код должен содержать информацию о тактовой частоте передаваемого сигнала. В приемнике эта информация используется для восстановления фазы и частоты хронирующего колебания, необходимого для принятия решения пороговыми устройствами приемника и регенератора.
3. Непрерывная часть энергетического спектра должна иметь низкий уровень в области тактовой (либо кратной ей) частоты, используемой для синхронизации приема, так как чем меньше уровень непрерывной составляющей в области, выделяемой дискретной составляющей, тем меньше помехи для устройств выделения тактовой частоты.
4. Желательно, чтобы основная доля энергии непрерывной составляющей энергетического спектра была сосредоточена в относительно узкой части спектра, так как при прочих равных условиях, чем уже спектр, тем меньше искажается сигнал за счет ограничения полосы линейного тракта.
5. Процесс линейного кодирования не должен зависеть от статистики сигналов источника информации, и наоборот, код не должен налагать какие – либо ограничения на передаваемое сообщение и обеспечивать однозначную передачу сигналов с любой статистикой. Иначе говоря, код передачи должен отображать любую двоичную последовательность.
6. Алгоритм формирования сигнала должен позволять надежно контролировать качество (достоверность) передачи в процессе автоматической эксплуатации ВОСП путем контроля ошибок регенераторов.
7. Устройство кодирования, декодирования и контроля ошибок должны быть простыми, надежными и малоэнергоемкими с возможностью интеграции схемы.
8. Желательно, чтобы линейный код имел малую избыточность для снижения соотношения между скоростью передачи в линии и скоростью исходных двоичных сигналов и повышения эффективности ВОСП.
9. Линейный код не должен приводить к существенному размножению ошибок при декодировании.
10. Линейный код должен обеспечивать организацию дополнительных каналов для передачи служебной информации.
7.2.2. Основные параметры кодов
Рассмотрим наиболее важные параметры, характеризующие линейные коды, на основании которых можно осуществить их выбор и сравнение.
Избыточность
(7.1)
где fт – тактовая частота информационного цифрового сигнала на входе кодера линейного тракта (или на выходе декодера); m – число разрешенных уровней входного сигнала; fт.л – тактовая частота информационного цифрового сигнала на выходе кодера линейного тракта (или на входе декодера линейного тракта), то есть в линии передачи; n – число разрешенных уровней выходного сигнала.
В случае, когда используется двоичный двухуровневый код, n = m = 2 и избыточность блочного кода
. (7.2)
Избыточность придает сигналу заданные свойства и повышает тактовую частоту
. (7.3)
Но при достаточно больших m и незначительной разности m – n это увеличение незначительно.
Относительная скорость передачи (коэффициент изменения тактовой частоты, эффективность кода)
. (7.4)
Этот параметр характеризует увеличение скорости передачи (увеличение тактовой частоты) при применении данного блочного кода. Очевидно, что чем меньше избыточность кода, тем меньше разница между скоростями.
Максимальное число следующих друг за другом одинаковых по амплитуде (уровню) символов. Для бинарных кодов это максимальное число последовательных "нулей" и "единиц", которое может иметь линейный сигнал. Эти параметры желательно выбирать минимальными, чтобы упростить тракт выделения тактовой частоты.
Среднее значение символов(bk). Если вероятность появления нулей и единиц в информационном сигнале одинакова (P0 =P1=0,5), то (bk) = 0,5. Для уменьшения средней оптической мощности излучателя и дробового шума фотодетектора среднее значение символов целесообразно выбирать минимальным.
Цифровая сумма (ЦС). Цифровой суммой называют алгебраическую сумму амплитуд импульсов на временном отрезке n-уровневого кода, отнесенную к абсолютному значению разности соседних по величине уровней. Различают цифровую сумму двух видов: накопленную цифровую сумму (НЦС) кодового блока, кодовой группы, кодового слова и текущую цифровую сумму (ТЦС).
Накопленная цифровая сумма – это число возможных значений, которое принимает цифровая сумма для одного блока кода; накопленная цифровая сумма блока из n элементов двухуровневого сигнала
. (7.5)
Для двоичных кодов значения элементов σi цифровой суммы определяются вероятностями появления единиц (P1л) и нулей (P0л = 1 – P1л); σi = P0л для символов "1"; σi = - P1л для символов "0". Накопленная цифровая сумма совпадает с числом состояний кодека (кодера-декодера), и ее величина определяет сложность кодека.
Текущая цифровая сумма определяется алгебраической суммой амплитуд n-уровневого кода с любого момента времени до момента наблюдения
, (7.6)
где j – порядковый номер бита кодовой комбинации кода в начале отсчета времени; m – порядковый номер бита в момент наблюдения.
Число возможных состояний текущей цифровой суммы в моменты окончания кодовых блоков обозначается Sk. Увеличение Sk приводит к увеличению сложности кодека.
Одновременно усложняется контроль блочной синхронизации. Кроме того, для любого кода существует определенное число значений, обозначенное Sm, которое может иметь текущая цифровая сумма при безошибочном приеме элементов кода. Сложность схемы контроля ошибок определяется Sm.
Плотность непрерывной составляющей спектра в области низких частот, примыкающих к частоте f = 0. Она оценивается коэффициентами Δ1 и Δ2 (доли мощности непрерывной составляющей энергетического спектра сигнала, сосредоточенные в области частот от нуля до нуль целых три сотых и от нуля до нуль целых одна десятая соответственно). При отсутствии или низком уровне непрерывных составляющих в низкочастотной части энергетического спектра кода кроме отмеченных выше достоинств имеется возможность эффективно передавать сигналы служебной связи и телеконтроля, а также уменьшать межсимвольные искажения второго рода.
Величина непрерывной составляющей на фиксированной частоте. Эта величина представляет интерес в зависимости от того, какая дискретная составляющая выделяется для системы синхронизации.
Ширина полосы ΔF, содержащая девяносто процентов энергии элементарного импульса линейного кода. Этот параметр характеризует удельную часть непрерывной части энергетического спектра на тактовом интервале Т.
Эффективность линейного кода по энергетическим затратам. Этот параметр характеризует энергетические затраты оптических передатчиков при выбранном коде и потери мощности за счет отклонения от оптимальной формы оптического сигнала. С этой точки зрения достоинствами выбранного кода являются экономия мощности и увеличение ресурса лазера.
Коэффициент относительной помехоустойчивости. Он показывает, на какую величину потенциальная помехоустойчивость цифрового сигнала отличается от предельной помехоустойчивости:
(7.7)
где Pэ – эквивалентная потенциальная помехоустойчивость рассматриваемого кода; Pэ max – предельная эквивалентная потенциальная помехоустойчивость цифрового сигнала.
Вне зависимости от конкретных условий реализации линейного тракта ВОСП сравнение цифровых сигналов удобно производить по потенциальной помехоустойчивости при идеальных условиях, которая зависит от эквивалентной мощности Pэ элементов этого сигнала Si (t) и Sj (t), то есть
. (7.8)
Очевидно, что предельной помехоустойчивостью будут обладать сигналы, элементы которых противоположны и удовлетворяют равенству
(7.9)
В оптических системах передачи противоположными являются сигналы, которые состоят из элементов высокого (положительного) уровня Si (t) и низкого (нулевого) уровня Sj (t). Также учтем факт, что при оптимальном приеме достоверность приема тем выше, чем больше энергия сигнала.
7.2.3. Линейные коды в ВОСП, их классификация
Линейные коды ВОСП классифицируются по степени стандартизации и применению в существующих одномодовых системах передачи с аппаратурой мультиплексирования PDH, SDH и некоторой другой.
Линейные коды классифицируются: скремблированный, безызбыточные, избыточные. 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.
7.2.4. Алгоритм формирования скремблированного линейного сигнала
Схема псевдослучайного скремблирующего кода представлена на рисунке
Рисунок 7.3. 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.
Операция сложения по модулю два заключается в следующем:
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 ниже (процедура суммирования по модулю два).
Рисунок 7.4. Формирование псевдослучайного скремблирующего кода
После скремблирования происходит формирование линейного сигнала NRZ (рисунок 7.5)
Скремблированная последовательность
Рисунок 7.5. 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:
- стабильность скорости передачи по линии;
- достаточно точное выделение тактовой частоты для регенерации;
- скремблер делает любой информационный сигнал помехоустойчивым при передаче по ВОЛС.
Недостаток: возможность размножения ошибок (поэтому длительность делают ограниченной, циклической).
7.2.5. 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:
Рисунок 7.6. Пример формирования кода NRZ
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.
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.
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 7.6, 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 7.6(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 7.6(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 7.7.
Рисунок 7.7. 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.
7.2.6. 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).
Выводы по главе:
Основные характеристики волоконно-оптических систем передач в большой степени зависят от выбора кода в линии.
К линейным сигналам оптических систем передач предъявляются следующие требования:
- непрерывная часть энергетического спектра должна содержать минимальную спектральную плотность в низкочастотной области и иметь минимум высокочастотных составляющих;
- линейный сигнал должен содержать информацию о тактовой частоте;
- алгоритм формирования линейного сигнала должен обеспечить контроль ошибок регенерации;
- линейный код не должен приводить к размножению ошибок и так далее.
Для сравнительного анализа различных линейных кодов волоконно-оптических систем передач предложено использовать ряд стандартизированных характеристик.
Избыточность линейного кода двухуровневого сигнала. Избыточность придает сигналу заданные свойства и повышает тактовую частоту.
Относительная скорость передачи указывает коэффициент изменения скорости передачи.
Максимальное число следующих друг за другом одинаковых символов определяет устойчивость выделения тактовой частоты.
Цифровая сумма представляет собой сумму амплитуд импульсов на временном отрезке n-уровневого кода, отнесенную к абсолютному значению разностей соседних по величине уровней. Цифровая сумма позволяет надежно контролировать ошибки передачи и так далее.
Линейные коды классифицируются: скремблированный, безызбыточные, избыточные. В данном проекте рассматриваются первые два.
Скремблированный линейный код в формате передачи NRZ. Код обеспечивает выполнение требований, предъявляемых к линейным сигналам.
Скремблирование осуществляют с помощью устройства, реализующего логическую операцию суммирования по модулю два исходной двоичной последовательности и преобразующего случайного сигнала, в качестве которого используется псевдослучайная последовательность.
При скремблировании линейного сигнала системы SDH группа двоичных символов, расположенная в начале цикла STM-N не подвергается преобразованию в скремблере. Эта группа символов образует синхрослово, которое нужно для распознавания цикла на приемной стороне. Обнаружение этого цикла STM-N позволяет запустить процедуру дескремблирования и восстанавливать информационный сигнал из линейного.
Безызбыточные коды (NRZ-L, NRZ-S, NRZ-M, RZ-L) подразделяются на абсолютные и относительные.
Эти коды не получили широкого распространения из-за несоответствия требованиям к линейным сигналам. Также их редко применяют в оптических системах в виду того, что в спектре присутствуют постоянные составляющие (низкочастотные), которые подавляются и в оптических передатчиках и в оптических приемниках, что сильно искажает информационный сигнал.
Код CMI. В нем сочетаются достоинства простоты кодирования с возможным выделением тактовой частоты заданной фазы с помощью линейного фильтра. Избыточность кода CMI легко перераспределить на обслуживание служебного канала.
Контрольные вопросы:
1. Основные требования, предъявляемые к линейным кодам волоконно-оптических систем передач.
2. Основные параметры кодов.
3. Виды безызбыточных кодов.
4. Какие коды не получили широкого распространения из-за несоответствия требованиям к линейным сигналам?
5. Достоинства и недостатки скремблированного линейного сигнала ВОСП.
6. Способ передачи кода CMI в оптическом линейном тракте.