Логическое кодирование, избыточные коды, скремблирование.

Логическое кодирование.

Логическое кодирование используется для улучшения потенциальных кодов типа AMI, NRZI или 2B1Q. Логическое кодирование должно заменять длинные последовательности бит, приводящие к постоянному потенциалу, вкраплениями единиц. Для логического кодирования характерны два метода - избыточные коды и скрэмблирование.

Избыточные коды.

Избыточные коды основаны на разбиении исходной последовательности бит на порции, которые называют символами. Каждый исходный символ заменяется на новый, который имеет большее количество бит, чем исходный. Например, логический код 4В/5В заменяет исходные символы длиной в 4 бита на символы в 5 бит. Так как результирующие символы содержат избыточные биты, то общее количество битовых комбинаций в них больше, чем в исходных.

Избыточные коды также позволяют приемнику распознавать искаженные биты. Если приемник принимает запрещенный код, значит, на линии произошло искажение сигнала.

Имеются также коды и с тремя состояниями сигнала, например, в коде 8В/6Т для кодирования 8 бит исходной информации используется код из 6 сигналов, каждый из которых имеет три состояния.

Для обеспечения заданной пропускной способности линии передатчик, использующий избыточный код, должен работать с повышенной тактовой частотой.

Скремблирование.

Скремблирование не изменяет длину исходного кода, но изменяет последовательность следования 1 и 0. Методы скремблирования заключаются в побитном вычислении результирующего кода на основании бит исходного кода и полученных в предыдущих тактах бит результирующего кода. Наиболее часто используется операция "исключающее ИЛИ".

После получения результирующей последовательности приемник передает ее дескрэмблеру, который восстанавливает исходную последовательность на основании обратного соотношения.

Различные алгоритмы скремблирования отличаются количеством слагаемых и сдвигом между слагаемыми.

Различают две основных схемы скремблеров: самосинхронизирующиеся и аддитивные скремблеры.

Особенностью самосинхронизирующего скремблера является то, что он управляется самой скремблированной последовательностью, т.е. той, которая поступает в канал. Поэтому не требуется специальной установки состояний скремблера и дескремблера, т.к. они оказываются идентичными в результате записи в их регистры сдвига скремблированной последовательности. На приемной стороне выделение информационной последовательности происходит сложением по модулю два принятой скремблированной последовательности с псевдослучайной последовательностью (ПСП) регистра. Одним из недостатков самосинхронизирующихся скремблеров-дескремблеров является свойство размножения ошибок.Данный недостаток ограничивает число обратных связей в регистре сдвига. Второй недостаток самосинхронизирующихся скремблеров связан с возможностью появления на его входе так называемых "критических ситуаций", когда выходная последовательность приобретает периодический характер с периодом, меньшим длины ПСП. Для предотвращения таких ситуаций в скремблере и дескремблере предусматриваются специальные дополнительные схемы контроля, которые выявляют периодичность элементов на входе и нарушают ее.

Аддитивные скремблеры (с начальной установкой) позволяют производить установку начальных состояний регистров. Результирующий сигнал не поступает на вход регистра, и размножения ошибок не происходит. Недостатки самосинхронизирующихся скремблеров отсутствуют при аддитивном скремблировании. Однако в этом случае требуется предварительная идентичная установка состояний регистров скремблера и дескремблера.

Суммируемые в скремблере последовательности независимы, поэтому критических ситуаций не наступает. Отсутствие эффекта размножения ошибок и необходимость специальной защиты от нежелательных ситуаций делают способ аддитивного скремблирования предпочтительнее и экономически эффективнее, если не учитывать затрат на решение задачи взаимной синхронизации пары скремблер – дескремблер.

Исправление ошибок, код Хемминга.

Исправление ошибок.

Обработка и передача больших массивов информации, особенно в условиях помех, сопровождается появлением ошибок. Для большинства видов информации появление ошибок недопустимо (системы управления, математические расчеты и т.д.). Во многих случаях лучше исправлять уже возникшие ошибки, чем пытаться их предотвратить.

Код Хемминга.

Одна из простейших, но эффективных процедур исправления ошибок разработана Р. Хеммингом в 1948 г. и широко используется для защиты данных. Суть метода наглядно иллюстрируется диаграммами Венна. Пусть необходимо защитить слово длиной 4 бита, например 1110. Четыре бита информации хранятся в четырех областях, образованных пересечением трех окружностей (Рис.а). Затем записываются три бита четности (Рис. б) по правилу: полное число единиц в каждой окружности должно быть четным. Ошибка устранимого типа (только в одном бите из четырех) обнаруживается при проверке битов четности (Рис. в). Видно, что нарушение произошло в области пересечения окружностей А и С, но за пределами окружности В (Рис. г). Т.е. применение кода Хемминга позволяет локализовать сбойный бит, следовательно, исправить его.

В коде Хемминга для защиты четырехразрядного слова от одиночных ошибок требуется применение семиразрядного кодового слова. Поэтому этот код называют (7,4). Таким же двухпозиционным цифровым обозначением, состоящим из длины кодового и защищаемого слова, называют другие типы кодов защиты от ошибок.

Если в защищаемом слове возникают две и более ошибок, то код Хемминга не позволяет их исправить. Действительно, при возникновении двух ошибок код Хемминга определит эту ситуацию как появление одной ошибки, и попытка исправить ее приведет к появлению новых. Этот эффект может быть устранен введением дополнительного бита четности, расположенного за пределами пересекающихся окружностей (код Хемминга 8,4). Он не позволяет исправить двойные ошибки, но дает возможность блокировать введение новых ошибок. Используются другие разновидности кодов защиты: (16,11), (32,26), (64, 57). Их трудно представить в виде диаграмм Венна, но они просто реализуются аппаратным методом. Защита информации кодом Хемминга отличается высоким быстродействием.