Реферат: Cкремблирование и дескремблирование линейного сигнала
Рис. 1. Временные диаграммы передачи данных DATA с использованием различных кодов;
RND — сигнал на выходе генератора псевдослучайной последовательности битов
Чтобы перейти к существу вопроса, рассмотрим временные диаграммы, приведенные на рис. 1, более подробно.
Код NRZ (в данном случае он обозначен как NRZ(L)) отображает лог. 0 и лог. 1 соответственно низким и высоким уровнями напряжения. В коде AMI лог. 0 отображается отсутствием напряжения, а лог. 1 — положительным или отрицательным импульсом, причем полярности соседних импульсов чередуются. Код TI отличается от AMI длительностью импульса.
В коде NRZ(I) любой фронт сигнала несет информацию о том, что примыкающий к нему справа битовый интервал соответствует лог. 1. Если фронта нет, то битовый интервал отображает лог. 0.
Код MLT-3 можно получить из кода NRZ(I) следующим образом. В интервалах, где код NRZ(I) принимает нулевое значение, код MLT-3 также должен быть нулевым. Положительные импульсы кода NRZ(I) должны соответствовать знакочередующимся импульсам кода MLT-3. При этом не имеет значения, какую полярность имеет первоначальный импульс.
Схема преобразования кода NRZ(L) в коды NRZ(I) и MLT-3 приведена на рис. 2,а. Каждый из двух последовательно соединенных D-триггеров включен в режиме делителя частоты. На выходе Q первого триггера формируется код NRZ(I). На входы передатчика подаются сигналы «+» и «-», которые преобразуются соответственно в положительные и отрицательные импульсы трехуровнего сигнала MLT-3.
Рис. 2. Упрощенные схемные решения:
а — формирователь кодов NRZ(I), MLT-3;
б — формирователь кода RND(MLT-S) с псевдослучайным чередованием полярностей импульсов;
в — формирователь кода RND(T1) с псевдослучайным чередованием полярностей импульсов;
г — дешифратор кода MLT-3 или RND(MLT-3)
Строго говоря, в эту и последующие схемы нужно ввести компенсирующие элементы для предотвращения некорректных ситуаций — так называемых «гонок» или «состязаний» сигналов. Пример гонки: из-за того, что второй триггер изменяет состояние и опрашивается под действием одного и того же сигнала NRZ(l), на выходах «+» и «-» элементов И в процессе переключения триггера будут наблюдаться кратковременные ложные импульсы. Но на эти «мелочи» сейчас не будем обращать внимания, чтобы не усложнять рисунки и не потерять основную идею реализации скремблирования полярностей импульсов.
Схема, показанная на рис. 2.б, отличается от предыдущей тем, что на D-вход второго триггера (первый триггер не показан) подается псевдослучайная последовательность битов RND. При RND = 1 в момент формирования положительного фронта сигнала NRZ(I) выбирается положительная полярность импульса в линии, при RND = 0 — отрицательная. Последовательность битов RND синхронизирована сигналом CLK и формируется, например, генератором на основе сдвигового регистра с логическими элементами Исключающее ИЛИ в цепях обратных связей. Такое решение приводит к случайному чередованию полярностей импульсов кода RND(MLT-3) в отличие от их регулярного чередования в коде MLT-3. Схема формирования сигнала RND(Tl), показанная на рис. 2, в, построена аналогично и отличается наличием дополнительного логического элемента И, предназначенного для укорочения положительных импульсов кода NRZ(I).
Схема, представленная на рис. 2, г, позволяет дешифрировать коды MLT-3 или RND(MLT-3), т.е. преобразовывать их в обычный код NRZ(L). На выходе приемника формируются положительные импульсы «+» и «-», которые соответствуют разнополярным входным сигналам. Приемник также формирует синхросигнал CLK, например, с помощью генератора с фазовой автоподстройкой частоты.
Логический элемент ИЛИ суммирует импульсы «+» и «-», так что их первоначальная полярность не учитывается. В этом, пожалуй, и заключена основная предпосылка создания рассмотренного решения: полярность импульсов в линии может быть произвольной, так как приемник не обращает на нее внимания. А если это так, то можно случайным образом распределить полярности передаваемых импульсов и тем самым подавить периодические составляющие сигнала. Единственное ограничение состоит в том, что для исключения постоянной составляющей сигнала в линии среднее число положительных и отрицательных импульсов в любом достаточно большом интервале времени должно быть одинаковым. Это условие в данном случае выполнено.
Таким образом, закон, по которому данные скремблировались передатчиком, остается неизвестным приемнику!
Предлагаемый метод применим и к другим трехуровневым кодам, таким как B3ZS, B6ZS, HDB3.
Рассмотренные схемные решения позволяют простыми средствами уменьшить уровень помех, излучаемых на соседние витые пары проводов кабеля.
1.2. Двубинарное кодирование
Еще одно решение задачи уменьшения уровня излучаемых помех основано на применении двубинарного кодирования.
В схеме, показанной на рис. 3, потребитель данных находится на некотором удалении от оптоволоконной линии связи. Для приема данных потребителю выделена витая пара проводов в многожильном кабеле (рассматриваем только одно направление передачи). На выходе интерфейса FDDI (Fiber Distributed Data Interface — распределенный интерфейс передачи данных по волоконно-оптическим каналам) данные представлены кодом NRZ(I) и сопровождающим его синхросигналом CLK (см. рис. 1).
Проблема заключается в том, что непосредственная передача сигнала NRZ(I) со скоростью 125 Мбит/с по витой паре проводов создает повышенный уровень помех на соседних жилах кабеля. Ситуация усугубляется в отсутствие полезных данных, когда передается заполняющая паузу непрерывная последовательность лог. 1. Эта последовательность соответствует частоте сигнала NRZ(I), равной половине скорости передачи данных или 62,5 МГц. На этой частоте сигнал легко преодолевает паразитные емкостные и индуктивные связи и наводится на соседние провода кабеля. Поэтому следовало бы применить какой-либо дополнительный способ кодирования для снижения частоты сигнала в отсутствие данных и разравнивания его спектра при наличии данных. Рассмотренное далее трехуровневое двубинарное кодирование DBM (duobinary modulation) и включение заграждающего фильтра позволяют в значительной мере снизить уровень излучаемых помех. По способу построения код DBM во многом схож с описанными в п. 1.1 кодами MLT-3 и RND(MLT-S).
Рис. 3.Схема высокоскоростной передачи данных в двубинарном коде с использованием витой пары проводов
Как показано на рис. 3, код NRZ(I) с выхода интерфейса FDDI преобразуется шифратором в код DBM. Сигнал с выхода шифратора проходит через заграждающий R-L-C-фильтр, разравнивающий спектр сигнала, передатчик и по линии связи (витой паре проводов) поступает в приемник. Приемник выделяет из него синхросигнал CLK и данные, представленные в коде DBM Дешифратор кода DBM формирует коды NRZ(I) и NRZ(L). Скорость передачи данных во всем тракте постоянна и равна 125 Мбит/с.
Шифратор двубинарного кода (рис. 4) содержит инвертор, логический элемент Исключающее ИЛИ (XOR), тактируемый элемент Т задержки, дешифратор DC со структурой 2x4, элемент ИЛИ, электронные ключи SW1-SW3 и два источника Ш и U2 постоянного напряжения. Временные диаграммы формирования кода DBM показаны на рис. 5.
Входной сигнал А инвертируется и поступает на первый вход элемента XOR. Сигнал Z с выхода этого элемента задерживается на один период сигнала CLK (например, с помощью D-триггера) и подается на второй вход элемента XOR. Дешифратор DC в зависимости от сочетания сигналов Z и Е формирует сигнал на одном из четырех выходов. При Z = Е = 0 сигнал G = 1 замыкает ключ SW3, поэтому на выход W шифратора поступает отрицательное напряжение от источника U2. При Z ≠ Е сигнал J = 1 замыкает ключ SW1, на выход шифратора поступает нулевое напряжение. При Z = Е = 1 сигнал F - 1 замыкает ключ SW2, на выход шифратора поступает положительное напряжение от источника Ш.
Рис. 4. Схема шифратора двубинарного кода DBM и структура заграждающего фильтра
Рис. 5.Временные диаграммы формирования двубинарного кода DBM
Процесс шифрации удобно проследить с помощью диаграммы состояний, приведенной на рис. 6.