з дисципліни "Системи передачі інформації"
Виконав ст. гр. РП 711 Мірошниченко А.Ю.
Керівник Зав'ялов С.Н
Розглянути принципи скремблювання і дескремблирования лінійного сигнала.
У даній роботі розглянуті принципи скремблирования і дескремблирования лінійного сигнала.
Розглянуто методи і схеми кодування сигналу з використанням скремблювання, що дозволяє розрівняти його спектр і тим самим знизити рівень випромінюваних перешкод, а також скоротити можливі періоди відсутності змін сигналу в лінії, що важливо для підвищення надійності синхронізації.
Завдання на проект. 2
1. Способи кодування сигналу зменшення випромінюваних перешкод за його передачі по кручений парі проводів. 5
1.1. Скремблирование полярностей імпульсів. 5
1.2. Двубинарное кодування. 8
2. Передача даних з використанням скремблера-дескремблера. 12
2.1.Генератори псевдовипадкових бітових послідовностей. 12
2.2. Скремблер і дескремблер з неізольованими генераторами псевдовипадкових бітових послідовностей. 13
2.3. Скремблер-дескремблер з ізольованими генераторами псевдовипадкових бітових послідовностей. 15
2.4. Скремблер-дескремблер з неізольованими генераторами - поліпшений варіант. 15
Список літератури. 19
Передача сигналу по лінії супроводжується випромінюванням енергії в навколишній простір. Найбільшому впливу з боку активної лінії піддаються сусідні лінії багатожильного кабелю. Це вплив проявляється в тому, що в них з'являються перешкоди, зумовлені в основному індуктивними і ємнісними паразитними зв'язками між лініями.
Енергія передається по лінії сигналу зосереджена в деякій спектральної смузі. Для зменшення впливу на сусідні лінії бажано якомога більш рівномірно розподілити енергію в цій смузі, без виражених спектральних піків. Якщо ця умова виконана, то джерело сигналу можна грубо уявити у вигляді нескінченно великого числа генераторів різної частоти, причому кожен генератор має нескінченно малу потужність. Результуючий сигнал перешкоди має характер шуму.
Однак якщо джерело формує сигнал, близький до періодичного, або, тим більше, періодичний, то на сусідні лінії замість широкосмугового шуму діють кілька сигналів або навіть один сигнал, близький за формою до синусоидальному. Так як основна енергія сигналу вже не розподілена, а зосереджена в декількох або однієї пікової спектральної складової, то амплітуда перешкод може перевищити допустиму. Таким чином, для зменшення амплітуди перешкод, що наводяться на сусідні лінії, слід по можливості виключити з переданого сигналу виражені періодичні компоненти.
Ці компоненти можуть з'являтися, наприклад, в сигналах AMI, Tl або MLT-3 під час передачі довгою послідовності лот. 1, як показано затіненими областями на рис. 1.
У цих областях неозброєним оком проглядаються прообрази синусоїдальних сигналів, що несуть основне енергію. Періоди сигналів AMI і Т1 під час передачі довгою послідовності лот. 1 дорівнюють двом бітовим інтервалам. Період сигналу MLT-3 дорівнює чотирьом бітовим інтервалам.
Довгі послідовності лот. 1 можна «зруйнувати» застосуванням cкpeмбліpoвaнія, тобто особливої шифрування даних, після якої будь-які вихідні послідовності виглядають як випадкові (див. п. 2.4). Для відновлення вихідних даних приймач повинен виконати зворотну операцію (дескремблирование). При цьому необхідна синхронна робота шифратора і дешифратора, що дещо ускладнює завдання.
Пропоноване в патенті США № 5.422.919 рішення також передбачає руйнування періодичного сигналу під час передачі довгою послідовності лот. 1, але виконується воно інакше. Скремблируется НЕ дані, а полярності переданих по лінії імпульсів. Залежно від значення деякого псевдослучайного біта вибирається або позитивна, або негативна полярність. Приймач байдужий до полярності імпульсу і реагує тільки на його наявність. Тому для відновлення даних приймачу не потрібно знати вид псевдослучайной послідовності, використаної при шифрування полярностей! Іншими словами, здійснюється якесь «скремблирование без подальшого дескремблирования» (що на перший погляд видається позбавленим сенсу). В результаті спрощується апаратура, призначена для зменшення випромінюваних перешкод.
Мал. 1. Тимчасові діаграми передачі даних DATA з використанням різних кодів;
RND - сигнал на виході генератора псевдослучайной послідовності бітів
Щоб перейти до суті питання, розглянемо тимчасові діаграми, наведені на рис. 1, більш докладно.
Код NRZ (в даному випадку він позначений як NRZ (L)) відображає лог. 0 і лог. 1 відповідно низьким і високим рівнями напруги. У коді AMI лог. 0 відображається відсутністю напруги, а лог. 1 - позитивним або негативним імпульсом, причому полярності сусідніх імпульсів чергуються. Код TI відрізняється від AMI тривалістю імпульсу.
У коді NRZ (I) будь-фронт сигналу несе інформацію про те, що примикає до нього справа бітовий інтервал відповідає лот. 1. Якщо фронту немає, то бітовий інтервал відображає лот. 0.
Код MLT-3 можна отримати з коду NRZ (I) у такий спосіб. В інтервалах, де код NRZ (I) приймає нульове значення, код MLT-3 також повинен бути нульовим. Позитивні імпульси коду NRZ (I) повинні відповідати Знакозмінні імпульсам коду MLT-3. При цьому не має значення, яку полярність має початковий імпульс.
Схема перетворення коду NRZ (L) в коди NRZ (I) і MLT-3 приведена на рис. 2, а. Кожен з двох послідовно з'єднаних D-тригерів включений в режимі дільника частоти. На виході Q першоготригера формується код NRZ (I). На входи передавача подаються сигнали «+» і «-», які перетворюються відповідно в позитивні і негативні імпульси трехуровнего сигналу MLT-3.
Мал. 2. Спрощені схемні рішення:
а - формувач кодів NRZ (I), MLT-3;
б - формувач коду RND (MLT-S) з псевдовипадковим чергуванням полярностей імпульсів;
в - формувач коду RND (T1) з псевдовипадковим чергуванням полярностей імпульсів;
г - дешифратор коду MLT-3 або RND (MLT-3)
Строго кажучи, в цю та наступні схеми потрібно ввести компенсуючі елементи для запобігання некоректних ситуацій - так званих «перегонів» або «змагань» сигналів. Приклад гонки: через те, що другий тригер змінює стан і опитується під дією одного і того ж сигналу NRZ (l), на виходах «+» і «-» елементів І в процесі перемикання триггера будуть спостерігатися короткочасні хибні імпульси. Але на ці «дрібниці» зараз не будемо звертати уваги, щоб не ускладнювати малюнки і не втратити основну ідею реалізації скремблирования полярностей імпульсів.
Схема, представлена на рис. 2, г, дозволяє розшифрувати коди MLT-3 або RND (MLT-3), тобто перетворювати їх в звичайний код NRZ (L). На виході приймача формуються позитивні імпульси «+» і «-», які відповідають різнополярним вхідним сигналам. Приймач також формує синхросигнал CLK, наприклад, за допомогою генератора з фазової автопідстроюванням частоти.
Логічний елемент АБО підсумовує імпульси «+» і «-», так що їх первісна полярність не враховується. У цьому, мабуть, і полягає основна передумова створення розглянутої рішення: полярність імпульсів в лінії може бути довільною, так як приймач не звертає на неї уваги. А якщо це так, то можна випадковим чином розподілити полярності переданих імпульсів і тим самим придушити періодичні складові сигналу. Єдине обмеження полягає в тому, що для виключення постійної складової сигналу в лінії середнє число позитивних і негативних імпульсів в будь-якому досить великому інтервалі часу має бути однаковим. Ця умова в даному випадку виконано.
Таким чином, закон, за яким дані Ськремблірованний передавачем, залишається невідомим приймача!
Пропонований метод можна застосовувати і до інших трирівневим кодами, таким як B3ZS, B6ZS, HDB3.
Розглянуті схемні рішення дозволяють простими засобами зменшити рівень перешкод, випромінюваних на сусідні кручені пари проводів кабелю.
Ще одне рішення задачі зменшення рівня випромінюваних перешкод грунтується на застосуванні двубинарного кодування.
У схемі, показаній на рис. 3, споживач даних перебуває на деякій відстані від оптоволоконної лінії зв'язку. Для прийому даних споживачеві виділено вита пара проводів в багатожильному кабелі (розглядаємо тільки один напрямок передачі). На виході інтерфейсу FDDI (Fiber Distributed Data Interface - розподілений інтерфейс передачі даних по волоконно-оптичним каналам) дані представлені кодом NRZ (I) і супроводжуючим його синхросигналом CLK (див. Рис. 1).
Проблема полягає в тому, що безпосередня передача сигналу NRZ (I) зі швидкістю 125 Мбіт / с по кручений парі проводів створює підвищений рівень перешкод на сусідніх жилах кабелю. Ситуація ускладнюється за відсутності корисних даних, коли передається заповнює паузу безперервна послідовність лот. 1. Ця послідовність відповідає частоті сигналу NRZ (I), що дорівнює половині швидкості передачі даних або 62,5 МГц. На цій частоті сигнал легко долає паразитні ємнісні і індуктивні зв'язку й наводиться на сусідні дроти кабелю. Тому слід було б застосувати будь-який додатковий спосіб кодування для зниження частоти сигналу за відсутності даних і розрівнювання його спектра при наявності даних. Розглянуте далі трирівневу Двубинарное кодування DBM (duobinary modulation) і включення заграждающего фільтра дозволяють значною мірою знизити рівень випромінюваних перешкод. За способом побудови код DBM багато в чому схожий з описаними в п. 1.1 кодами MLT-3 і RND (MLT-S).
Мал. 3. Схема високошвидкісної передачі даних в двубинарного коді з використанням кручений пари проводів
Як показано на рис. 3, код NRZ (I) з виходу інтерфейсу FDDI перетвориться шифратором в код DBM. Сигнал з виходу шифратора проходить через загороджуючий R-L-C-фільтр, розрівнюють спектр сигналу, передавач і по лінії зв'язку (парі проводів) надходить в приймач. Приймач виділяє з нього синхросигнал CLK і дані, представлені в коді DBM Дешифратор коду DBM формує коди NRZ (I) і NRZ (L). Швидкість передачі даних у всьому тракті постійна і дорівнює 125 Мбіт / с.
Шифратор двубинарного коду (рис. 4) містить інвертор, логічний елемент виключає Або (XOR), тактируемого елемент Т затримки, дешифратор DC зі структурою 2x4, елемент АБО, електронні ключі SW1-SW3 і два джерела Ш і U2 посто-янного напруги. Тимчасові діаграми формування коду DBM показані на рис. 5.
Вхідний сигнал А інвертується і надходить на перший вхід елемента XOR. Сигнал Z з виходу цього елемента затримується на один період сигналу CLK (наприклад, за допомогою D-тригера) і подається на другий вхід елемента XOR. Дешифратор DC залежно від поєднання сигналів Z та Е формує сигнал на одному з чотирьох виходів. При Z = Е = 0 сигнал G = 1 замикає ключ SW3, тому на вихід W шифратора надходить негативна напруга від джерела U2. При Z ≠ Е сигнал J = 1 замикає ключ SW1, для виходу шифратора надходить нульове напруга. При Z = Е = 1 сигнал F - 1 замикає ключ SW2, для виходу шифратора надходить позитивне напруга від джерела Ш.
Мал. 4. Схема шифратора двубинарного коду DBM і структура заграждающего фільтра
Мал. 5. Тимчасові діаграми формування двубинарного коду DBM
Процес шифрування зручно простежити за допомогою діаграми станів, наведеної на рис. 6.
Шифратор може перебувати в одному з чотирьох станів Q1-Q4. Якщо, наприклад, шифратор перебуває в стані Q1, то при надходженні на вхід А сигналу лог. 1 на його виході W формується позитивне напруга +1 У (величина умовна). Цей факт відбито позначенням «Лот. 1 = + 1 У »близько двобічної зв'язку між вузлами Q1 і Q4. У цій ситуації шифратор перетворюється на стан Q4.