线路编码与多媒体应用

第七章线路编码与多媒体应用内容：§1线路编码§2光纤通信系统中的多媒体处理技术（简介）§7.1线路编码在光纤通信系统中，从电端机输出的是适合于电缆传输的双极性码。光源不可能发射负光脉冲，因此必须进行码型变换，以适合于数字光纤通信系统传输的要求。数字光纤通信系统普遍采用二进制二电平码（双极性码），即“有光脉冲”表示“１”码，“无光脉冲”表示“0”码。必要性——解决简单的二电平码会带来的问题：•在码流中，出现“１”码和“0”码的个数是随机变化的，因而直流分量也会发生随机波动(基线漂移)，给光接收机的判决带来困难。•在随机码流中，容易出现长串连“１”码或长串连“0”码，这样可能造成位同步信息丢失，给定时提取造成困难或产生较大的定时误差。•不能实现在线(不中断业务)的误码检测，不利于长途通信系统的维护。具体要求——数字光纤通信系统对线路码型的要求：(1)能限制信号带宽，减小功率谱中的高低频分量。这样就可以减小基线漂移、提高输出功率的稳定性和减小码间干扰，有利于提高光接收机的灵敏度。(2)能给光接收机提供足够的定时信息。应尽可能减少连“１”码和连“0”码的数目，使“1”码和“0”码的分布均匀，保证定时信息丰富。(3)能提供一定的冗余码，用于平衡码流、误码监测和公务通信。但对高速光纤通信系统，应适当减少冗余码，以免占用过大的带宽。解决问题的途径（理论基础）：模拟信号数字化后，频带大大加宽。数字压缩编码、扩频技术是使数字信号走向实用化的关键技术及有效途径。它的理论基础是信息论中的香农定理——其中C--信道容量（比特/秒），W--带宽（赫兹），N--噪声功率，S--信号功率，当S/N很小时（≤0.1）得到：C不变时，如N/S很大，必须有足够大的带宽W来传输信号——扩频；如果N/S不变，带宽W与信道容量C成正比（因为带宽W有限，信道容量C有限。可采用编码压缩信息冗余度来增加传输速率——编码压缩。)1(log2NSWCSNCW44.1①码速提升率：二进制码的速率为f1，线路编码后的速率f2为，码速提升率R为：②最大同码连续数N:最大相同符号“0”/“1”的连续数。N取决于码的结构，值的大小衡量线路码的定时信息、低频分量的参考值。③误码增殖系数G，定义为：G大表明译码后对应的误码可能更多，系统传输性能变差。④冗余度：——除了信息外，光通信系统还要传送其它辅助信号的能力称为冗余度或冗余容量。冗余度大，有利于安排其它信号，但效率低。光纤线路码的主要性能参数112fffR线路码中总的误码数码中的误码数接收机中还原为二进制G一、扰码为了保证传输的透明性，在系统光发射机的调制器前，需要附加一个扰码器，将原始的二进制码序列加以变换，使其接近于随机序列。相应地，在光接收机的判决器之后，附加一个解扰器，以恢复原始序列。扰码与解扰可由反馈移位寄存器和对应的前馈移位寄存器实现。扰码改变了“１”码与“0”码的分布，从而改善了码流的一些特性。例如：扰码前：1100000011000…扰码后：1101110110011…扰码有下列缺点：①不能完全控制长串连“１”和长串连“0”序列的出现；②没有引入冗余，不能进行在线误码监测；③信号频谱中接近于直流的分量较大，不能解决基线漂移。因为扰码不能完全满足光纤通信对线路码型的要求，所以许多光纤通信设备除采用扰码外还采用其它类型的线路编码。二、mBnB码(分组码)mBnB码是把输入的二进制原始码流进行分组，每组有m个二进制码，记为mB，称为一个码字，然后把一个码字变换为n个二进制码，记为nB，并在同一个时隙内输出。这种码型是把mB变换为nB，所以称为mBnB码，其中m和n都是正整数，nm，一般选取n=m+1。mBnB码有1B2B、3B4B、5B6B、8B9B、17B18B等等。包括双相码、CMI、密勒码等。2个二进制码表示一个信息码，传输速率提高了一倍。电路简单，是低速(34Mb/s以下)系统中常用码型。1.1B2B码（1）数字双相码或Mancherster码，分相码码型变换后无直流分量，且容易从中提取出位同步信息，不出现2个以上连0/1。但变换使得原数字信号的基带带宽加倍。在本地以太网（Ethernet）中有应用。（2）密勒码是双相码的变形。编码规则是在“1”的中点发生电平跳变，出现单个”0”时，电平保持不变，出现连零时，在连”0”的起始处发生电平跳变。最大宽度为两个码元周期，最小宽度为一个码元周期。具有一定的误码检测性能。直流分量很小，频带宽度约为数字双相码的一半。可用于气象卫星、磁记录、低速基带树传机等。（3）传号反转码,也称CMI码用“01”表示”0”,用”00”或”11”表示“1”。交替地用正电平或负电平表示“1”，用固定相位的一个周期的方波表示”0”，不出现3个以上连0/1，具有自检错能力。CMI码容易提取位定时信号，具有良好的检错能力。2.mBnB码最简单的mBnB码是1B2B码，即曼彻斯特码，这就是把原码的“０”变换为“01”，把“1”变换为“10”。因此最大的连“０”和连“１”的数目不会超过两个，例如1001和0110。但是在相同时隙内，传输1比特变为传输2比特，码速提高了1倍。以3B4B码为例，输入的原始码流3B码，共有(23)8个码字，变换为4B码时，共有(24)16个码字，见P97表7.2。为保证信息的完整传输，必须从4B码的16个码字中挑选8个码字来代替3B码。设计者应根据最佳线路码特性的原则来选择码表。例如：在3B码中有2个“0”，变为4B码时补1个“１”；在3B码中有2个“1”，变为4B码时补1个“0”。而000用0001和1110交替使用；111用0111和1000交替使用。同时，规定一些禁止使用的码字，称为禁字，例如0000和1111。3.3B4B码01111111111011011101100101110110101001100100001110110110010101001000011001001000010000004B3B表7.23B和4B的码字（无禁字）作为普遍规则，引入“码字的数字和”(WDS)来描述码字的均匀性，并以WDS的最佳选择来保证线路码的传输特性。所谓“码字数字和”，是在线路编码的nB码的码字中，用“-1”代表“0”码，用“+1”代表“１”码，整个码字的代数和即为WDS。如果整个码字“１”码的数目多于“0”码，则WDS为正；如果“0”码的数目多于“1”码，则WDS为负；如果“0”码和“1”码的数目相等，则WDS为0。例如：对于0111，WDS=+2；对于0001，WDS=-2；对于0011，WDS=0。nB码的选择原则是：尽可能选择|WDS|最小的码字，禁止使用|WDS|最大的码字。以3B4B为例，应选择WDS=0和WDS=±2的码字，禁止使用WDS=±4的码字。表7.4显示出根据这个规则编制的一种3B4B码表，表中正组和负组交替使用。线路码（4B）信号码（3B）模式2（负组）模式1（正组）WDS码字WDS码字-20010+211011117-21000+20111110601010010101015010010100110040011000110011300101001010102-20001+211100011-20100+210110000表7.43B4B码变换规则表我国3次群和4次群光纤通信系统最常用的线路码型是5B6B码，其编码规则如下：5B码共有(25)32个码字，变换6B码时共有(26)64个码字，其中WDS=0有20个，WDS=±2有15个，WDS=-2有15个，共有50个|WDS|最小的码字可供选择。由于变换为6B码时只需32个码字，为减少连“１”和连“0”的数目，删去：000011、110000、001111和111100。当然禁用WDS=±4和±6的码字。表7.5显示出根据这个规则编制的一种5B6B码表，正组和负组交替使用。表中正组选用20个WDS=0和12个WDS=+2，负组选用20个WDS=0和12个WDS=-2。1.5B6B码线路码（6B）信号码（5B）模式2（负组）模式1（正组）WDS码字WDS码字-2000101+21110101111131-2001001+21101101111030-2010001+2101101110129011100001110001110028-2000110+21110011101127011010001101001101026011001001100101100125续表mBnB码是一种分组码，设计者可以根据传输特性的要求确定某种码表。mBnB码的优点是：(1)码流中“0”和“1”码的概率相等，连“0”和连“1”的数目较少，定时信息丰富。(2)高低频分量较小，信号频谱特性较好，基线漂移小。(3)在码流中引入一定的冗余码，便于在线误码检测。mBnB码的缺点是：传输辅助信号比较困难。因此，在要求传输辅助信号或有一定数量的区间通信的设备中，不宜用这种码型。mBnB码优缺点：3.有两种编译码电路：•一种是组合逻辑电路，就是把整个编译码器都集成在一小块芯片上，组成一个大规模专用集成块，国外设备大多采用这种方法。•另一种是把设计好的码表全部存储到一块只读存储器(PROM)内而构成，国内设备一般采用这种方法。以3B4B码为例，码表存储编码器的工作原理示于图7.1。首先把设计好的码表存入PROM内，待变换的信号码流通过串-并变换电路变为3比特一组的码b1、b2、b3，并行输出作为PROM的地址码。在地址码作用下，PROM根据存储的码表，输出与地址对应的并行4B码，再经过并-串变换电路，读出已变换的4B码流。图7.1码表存储编码器原理并→串PROMB1B2B3B4b1b2b3串→并组别变换ABC变前时钟已变换的输出4B码流变换时钟待变换输入信号码流已变换输出4B码流首先把设计好的码表存入PROM内，待变换的信号码流通过串—并变换电路变为3比特一组的码b1、b2、b3，并行输出作为PROM的地址码。在地址码作用下，PROM根据存储的码表，输出与地址对应的并行4B码，再经过并—串变换电路，读出已变换的4B码流。图中A、B、C三条线为组别控制控制线，当WDS=±2时，从A、B分别送出控制信号，通过C线决定组别。译码器与编码器基本相同，只是除去组别控制部分。译码时，把送来的已变换的4B信号码流，每4比特并联为一组，作为PROM的地址，然后读出3B码，再经过并-串变换还原为原来的信号码流。其他的mBnB码编译码电路原理相同，只是电路复杂程度有所区别而已。三、插入码插入码是把输入二进制原始码流分成每m比特(mB)为一组，然后在每组mB码末尾按一定规律插入一个码，组成m+1个码为一组的线路码流。根据插入码的规律，可以分为mB1C码、mB1H码和mB1P码。1.插入码的编码原理mB1C码的编码原理是，把原始码流分成每m比特(mB)一组，然后在每组mB码的末尾插入1比特补码，这个补码称为C码，所以称为mB1C码。补码插在mB码的末尾，使连“0”码和连“1”码的数目最少。mB1C码的结构如下图所示，例如：mB码为：100110001101……mB1C码为：1001110100101010……C码的作用是引入冗余码，可以进行在线误码率监测；同时改善了“0”码和“1”码的分布，有利于定时提取。图7.2mB1C码的结构mBCmBCmBCCmB1H码是mB1C码演变而成的，即在mB1C码中，扣除部分C码，并在相应的码位上插入一个混合码(H码)，所以称为mB1H码。所插入的H码可以根据不同用途分为三类：第一类是C码，它是第m位码的补码，用于在线误码率监测；第二类是L码，用于区间通信；第三类是G码，用于帧同步、公务、数据、监测等信息的传输。常用的插入码是mB1H码，有1B1H码、4B1H码和8B1H码。以4B1H码为例，它的优点是码速提高不大，误码增值小；可以实现在线误码检测、区间通信和辅助信息传输。缺点是码流的频谱特性不如mBnB码。但在扰码后再进行4B1H变换，可以满足通信系统的要求。在mB1P码中，P码称为奇偶校验码，其作用和C码