Codificación física

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Codificación física (codificación de línea [1] [2] [3] , manipulación de señal [1] [4] , modulación, modulación de código de pulso [1] [5] [6] )  - representaciones de señales discretas [7] transmitidas a través de digital canal de comunicación, para transmitir datos representados en forma digital a distancia a través de un canal de comunicación físico (como fibra óptica , par trenzado , cable coaxial , radiación infrarroja ). La codificación física también se utiliza para registrar datos en un medio digital . En la codificación física, se presta atención a las características de la señal generada : ancho de banda, composición armónica de la señal, capacidad de sincronizar el receptor con el transmisor. Durante la codificación física, se resuelven los problemas de sincronización, control del ancho de banda de la señal, tasa de transferencia de datos y la distancia sobre la cual se deben transmitir los datos [1] [5] .

Hay tipos de transmisión de señal discreta :

Jerarquía de codificación

El sistema de codificación de señales tiene una jerarquía.

Codificación física

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Ejemplos de codificación física

El nivel inferior en la jerarquía de codificación es la codificación física, que determina el número de niveles de señal discretos (amplitudes de voltaje, amplitudes de corriente, amplitudes de brillo).

La codificación física considera la codificación solo en el nivel más bajo de la jerarquía de codificación, el nivel físico, y no considera los niveles más altos en la jerarquía de codificación, que incluyen codificaciones lógicas de varios niveles.

Desde el punto de vista de la codificación física, una señal digital puede tener dos, tres, cuatro, cinco, etc. niveles de amplitud de voltaje, amplitud de corriente, amplitud de luz.

Ninguna de las versiones de la tecnología Ethernet utiliza la codificación binaria directa del bit 0 con 0 voltios y el bit 1 con +5 voltios, ya que este método genera ambigüedad. Si una estación envía la cadena de bits 00010000, la otra estación puede interpretarla como 10000 o 01000, ya que no puede distinguir "sin señal" del bit 0. Por lo tanto, la máquina receptora necesita una forma de determinar de manera única el principio, el final y el medio de cada bit sin la ayuda de un temporizador externo. La codificación de la señal en la capa física permite que el receptor se sincronice con el transmisor cambiando el voltaje en medio del período de bits.

En algunos casos, la codificación física resuelve problemas:

Codificación lógica

El segundo nivel en la jerarquía de codificación es el nivel más bajo de codificación lógica con diferentes propósitos.

Juntas, la codificación física y la codificación lógica forman un sistema de codificación de bajo nivel.

Formatos de código

Cada bit de la palabra de código se transmite o graba usando señales discretas, como pulsos. La forma en que ciertas señales representan el código fuente está determinada por el formato del código. Se conocen un gran número de formatos, cada uno de los cuales tiene sus propias ventajas y desventajas y está destinado a ser utilizado en determinados equipos.

La dirección del borde al transmitir una señal unitaria no importa. Por lo tanto, cambiar la polaridad de la señal codificada no afecta el resultado de la decodificación. Se puede transmitir por líneas balanceadas sin componente DC. También simplifica su grabación magnética. Este formato también se conoce como "Manchester 1". Se usa en el código de dirección de tiempo SMPTE, que se usa ampliamente para sincronizar medios de audio y video.

Sistemas de codificación binivel

NRZ (Sin Retorno a Cero)

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codigo NRZ

NRZ (Non Return to Zero  )  es un  código de dos niveles. El cero lógico corresponde al nivel inferior, la unidad lógica, el nivel superior. Las transiciones de información ocurren en el límite de los intervalos significativos (momento significativo) [3] [7] .

Variantes de representación de código NRZ

Hay varias opciones para presentar el código:

  • Código unipolar: la unidad lógica está representada por el potencial superior, el cero lógico está representado por el potencial cero;
  • Código bipolar: un uno lógico está representado por un potencial positivo, un cero lógico está representado por un potencial negativo.
Ventajas del código NRZ
  • Implementación sencilla;
  • Alta tasa de transferencia de datos;
Desventajas del código NRZ
  • La necesidad de transmitir un bit de inicio y parada para sincronizar el receptor con el transmisor;
  • La presencia de un componente constante (capacitancia) [5] , que hace imposible proporcionar aislamiento galvánico utilizando un transformador;
  • Altos requisitos para la sincronización de frecuencia en los extremos de recepción y transmisión: durante la transmisión de una palabra (byte), el receptor no debe extraviarse más de un bit (por ejemplo, para una palabra de longitud de byte con un bit de inicio y parada, es decir, solo 10 bits de información del canal, las frecuencias de desincronización del receptor y transmisor no pueden exceder el 10% en ambas direcciones, para una palabra de 16 bits, es decir, 18 bits de información del canal, la desincronización no debe exceder el 5,5%, y menos aún en implementaciones físicas).

NRZI (No Retorno a Cero Invertivo)

NRZI (Non Return to Zero Invertive)  es un código de potencial con inversión en uno, el código está formado por un estado inverso cuando llega una unidad lógica a la entrada del codificador, cuando llega un cero lógico, el estado del potencial no Sin cambio. Este método es un método Non Return to Zero ( NRZ ) [3] modificado .

Dado que el código no está protegido contra largas secuencias de ceros o unos lógicos, esto puede generar problemas de sincronización. Por lo tanto, antes de la transmisión, se recomienda precodificar una secuencia de bits dada con un código que permita la codificación (la codificación está diseñada para impartir propiedades aleatorias a la secuencia de datos transmitida para facilitar la selección de una frecuencia de reloj por parte del receptor). ). Utilizado en Fast Ethernet 100Base-FX y 100Base-T4.

Ventajas del código NRZI
  • Facilidad de implementación;
  • El método tiene un buen reconocimiento de errores (debido a la presencia de dos potenciales muy diferentes);
  • El espectro de la señal se encuentra en la región de baja frecuencia en relación con la frecuencia de los intervalos significativos.
Desventajas del código NRZI
  • El método no tiene la propiedad de sincronización automática. Incluso con un generador de reloj de alta precisión, el receptor puede cometer un error al elegir el momento de la recopilación de datos, ya que las frecuencias de los dos generadores nunca son completamente idénticas. Por lo tanto, a altas velocidades de datos y largas secuencias de unos o ceros, una pequeña falta de coincidencia de las frecuencias de reloj puede provocar un error en un ciclo completo y, en consecuencia, leer un valor de bit incorrecto;
  • El segundo inconveniente grave del método es la presencia de un componente de baja frecuencia, que se acerca a una señal constante cuando transmite largas secuencias de unos y ceros (se puede omitir comprimiendo los datos transmitidos). Debido a esto, muchas líneas de comunicación que no brindan una conexión galvánica directa entre el receptor y la fuente no admiten este tipo de codificación. Por lo tanto, en las redes, el código NRZ se utiliza principalmente en la forma de sus diversas modificaciones, en las que se eliminan tanto la mala autosincronización del código como los problemas de CC.

Codificación Manchester

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Codificación Manchester

En la codificación Manchester, cada reloj se divide en dos partes. La información está codificada por caídas potenciales en medio de cada ciclo. Hay dos tipos de codificación Manchester:

  • De acuerdo con IEEE 802.3, un uno lógico se codifica mediante una transición de un nivel de señal bajo a uno alto, y un cero lógico se codifica mediante una transición del nivel de señal superior al inferior en el centro del intervalo significativo.
  • Codificación Manchester diferencial (a D. E. Thomas): una unidad lógica se codifica mediante una caída desde el nivel de señal superior a uno bajo, y un cero lógico se codifica mediante una caída desde el nivel de señal inferior al superior en el centro de la intervalo significativo [3] .

Al comienzo de cada ciclo, puede ocurrir un borde de señal de servicio si necesita representar varios unos o ceros seguidos. Dado que la señal cambia al menos una vez por ciclo de bits de datos, el código Manchester tiene propiedades de sincronización automática. La presencia obligatoria de una transición en el centro del bit facilita el aislamiento de la señal del reloj. La diferencia permitida en las frecuencias de transmisión es de hasta un 25% (esto significa que el código Manchester-2 es el más resistente a la desincronización, se autosincroniza en cada bit de información transmitida).

La densidad del código es de 1 bit/hercio. Hay 2 frecuencias en el espectro de la señal codificada por Manchester-2: la frecuencia de transmisión y la frecuencia de transmisión media (se forma cuando 0 y 1 o 1 y 0 están cerca. Al transmitir una secuencia hipotética de solo 0 o 1, sólo la frecuencia de transmisión estará presente en el espectro).

Ventajas de la codificación Manchester
  • Sin componente constante (el cambio de señal ocurre en cada ciclo de transferencia de datos)
  • La banda de frecuencia en comparación con la codificación NRZ : el armónico fundamental cuando se transmite una secuencia de unos o ceros tiene una frecuencia de N Hz, y con una secuencia constante (cuando se transmiten unos y ceros alternados) - N / 2 Hz.
  • Es autosincronizante , es decir, no requiere una codificación especial del pulso del reloj, que ocuparía la banda de datos y por tanto es el código más denso por unidad de frecuencia.
  • La capacidad de proporcionar aislamiento galvánico utilizando un transformador, ya que no tiene un componente constante
  • La segunda ventaja importante es la ausencia de la necesidad de sincronizar bits (como en el código NRZ) y, como resultado, los datos pueden transmitirse en sucesión durante un tiempo arbitrariamente largo, por lo que la densidad de datos en el flujo de código total se acerca a 100% (por ejemplo, para el NRZ 1- 8-0 es igual al 80%).

Código Miller

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código molinero

El código Miller (a veces llamado de tres frecuencias) es un código bipolar de dos niveles en el que cada bit de información se codifica mediante una combinación de dos bits {00, 01, 10, 11}, y las transiciones de un estado a otro se describen mediante un gráfico [9] . Con la entrada continua de ceros o unos lógicos al codificador, el cambio de polaridad ocurre en el intervalo T, y la transición de transmitir unos a transmitir ceros ocurre en un intervalo de 1.5T. Cuando una secuencia 101 llega al codificador, se produce un intervalo de 2T, por lo que este método de codificación se denomina de tres frecuencias [3] .

Beneficios
  • Sin redundancia en el código (sin combinaciones especiales para la sincronización);
  • La capacidad de autosincronizarse (el código en sí contiene el principio por el cual se garantiza que puede sincronizarse);
  • El ancho de banda del código Miller es la mitad del código Manchester.
Desventajas
  • La presencia de un componente constante, mientras que el componente de baja frecuencia también es lo suficientemente grande, que se supera en el código Miller modificado en el cuadrado.

Sistemas de codificación de tres niveles

RZ (regreso a cero)

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código RZ

RZ (retorno a cero ) es un  código bipolar con retorno a cero [5] (tres niveles). Según el código RZ, cada bit se transmite como una caída de un nivel a cero, en medio de un intervalo significativo, de la siguiente manera: un cero lógico corresponde a una transición de un nivel superior a un nivel cero, un uno lógico corresponde a una transición de un nivel inferior a un nivel cero. Requiere 2 veces la velocidad de conmutación de estado en comparación con la velocidad de conmutación según el código NRZ.

Código bipolar AMI

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código AMI

Código AMI (inversión de marca alternativa)  : tiene buenas propiedades de sincronización al transferir series de unidades y es relativamente fácil de implementar. La desventaja del código es la limitación de la densidad de ceros en el flujo de datos, ya que largas secuencias de ceros conducen a la pérdida de sincronización. Se utiliza en telefonía de capa de datos cuando se utilizan flujos de multiplexación [3] .

El código AMI [5] utiliza las siguientes representaciones de bits:

  • los bits 0 están representados por voltaje cero (0 V)
  • los bits 1 se representan alternativamente por -U o +U (B)

HDB3 (Código Bipolar de Tercer Orden de Alta Densidad)

El código HDB3 (código bipolar de alta densidad de tercer orden [5] ) corrige 4 ceros consecutivos en la secuencia original. La regla de generación de código es la siguiente: cada 4 ceros se reemplazan por 4 símbolos en los que hay al menos una señal V. Para suprimir la componente continua, la polaridad de la señal V se alterna durante los reemplazos sucesivos. Hay dos formas de reemplazar:

  1. Si antes del reemplazo el código fuente contenía un número impar de unos, entonces se usa la secuencia 000V
  2. Si antes del reemplazo el código fuente contenía un número par de unos, entonces se usa la secuencia 100V

Señal V de la unidad de polaridad prohibida para una señal dada

Al igual que AMI , solo se reemplaza la codificación de secuencias de cuatro ceros por el código -V/0, 0, 0, -V o +V/0, 0, 0, +V - dependiendo de la fase anterior de la señal y el número de unos en la señal, que preceden a la secuencia dada de ceros.

MLT-3

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Codificación MLT-3

MLT-3 ( Multi Level Transmission - 3) es un  método de codificación que utiliza tres niveles de señal. El método se basa en la conmutación cíclica de los niveles -U, 0, +U. Uno corresponde a la transición de un nivel de señal al siguiente. Como en el método NRZI , cuando se transmite un cero lógico, la señal no cambia. El método fue desarrollado por Cisco Systems para su uso en redes FDDI basadas en hilos de cobre, conocidas como CDDI. También se utiliza en Fast Ethernet 100BASE-TX . Uno corresponde a una transición de un nivel de señal a otro, y el cambio en el nivel de señal se produce de forma secuencial, teniendo en cuenta la transición anterior. Cuando se transmite cero, la señal no cambia.

Beneficios del código MLT-3
  • En el caso del cambio de nivel más frecuente (secuencia larga de unos), se necesitan cuatro transiciones para completar el ciclo. Esto permite que la frecuencia de la portadora se reduzca por un factor de cuatro en relación con la frecuencia del reloj, lo que convierte a MLT-3 en un método conveniente cuando se utilizan cables de cobre como medio de transmisión.
  • Este código, como NRZI , debe codificarse previamente. Utilizado en Fast Ethernet 100Base-TX .

Código ternario híbrido

bit de entrada
Estado de salida anterior		 bit de salida
0 + −
0
− 0
una +
0 +
−

4B3T

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código 4B3T

4B3T (4 Binary 3 Ternary, cuando se transmiten 4 símbolos binarios utilizando 3 símbolos ternarios): la señal en la salida del codificador, según el código 4B3T, es de tres niveles, es decir, se forma una señal con tres niveles potenciales a la salida del codificador. El código se genera, por ejemplo, según la tabla de codificación MMS43 [10] . Tabla de codificación:

Tabla de codificación MMS 43
Aporte Compensación de CC acumulada
una 2 3 cuatro
0000 + 0 + (+2) 0−0 (−1)
0001 0 − + (+0)
0010 + − 0 (+0)
0011 0 0 + (+1) - - 0 (-2)
0100 − + 0 (+0)
0101 0 ++ (+2) − 0 0 (−1)
0110 − + + (+1) - - + (-1)
0111 − 0 + (+0)
1000 + 0 0 (+1) 0 − − (−2)
1001 + − + (+1) - - - (-3)
1010 + + − (+1) + − − (−1)
1011 + 0 − (+0)
1100 + + + (+3) − + − (−1)
1101 0 + 0 (+1) − 0 − (−2)
1110 0 + − (+0)
1111 + + 0 (+2) 0 0 − (−1)

Tabla de decodificación:

Ternario Binario Ternario Binario Ternario Binario
0 0 0 n / A − 0 0 0101 + − − 1010
+0+ 0000 − + + 0110 + 0 − 1011
0 - 0 0000 - - + 0110 + + + 1100
0 - + 0001 − 0 + 0111 - + - 1100
+ - 0 0010 + 0 0 1000 0+0 1101
0 0 + 0011 0 - - 1000 − 0 − 1101
- - 0 0011 + − + 1001 0 + − 1110
− + 0 0100 − − − 1001 + + 0 1111
0++ 0101 + + − 1010 0 0 - 1111

Sistemas con codificación de cuatro niveles

2B1Q (Código de potencial 2B1Q)

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código 2B1Q

2B1Q (2 Binario 1 Cuaternario)  - código potencial 2B1Q (llamado PAM -5 en alguna literatura ) transmite un par de bits en un intervalo significativo [1] [2] . A cada posible par se le asigna su propio nivel de cuatro posibles niveles de potencial.

Par
Potencial correspondiente ,
voltios
00 −2,5
01 −0.833
once +0.833
diez +2.5
Ventaja del método 2B1Q
  • La velocidad de la señal de este método es dos veces menor que la de los códigos NRZ y AMI, y el espectro de la señal es dos veces más estrecho. Por lo tanto, utilizando el código 2B1Q, es posible transmitir datos el doble de rápido en la misma línea.
Desventajas del Método 2B1Q
  • La implementación de este método requiere un transmisor más potente y un receptor más complejo, que debe distinguir entre cuatro niveles.

Véase también

Fuentes

  1. ↑ 1 2 3 4 5 Berlín A. N. Conmutación en redes y sistemas de comunicación. - M. : Eco-tendencias, 2006. - S. 39-43. — 344 pág. - ISBN 5-88405-073-9 .
  2. ↑ 1 2 Abilov AV Redes de comunicación y sistemas de conmutación. - M. : Radio y comunicación, 2004. - 288 p. — ISBN 5-256-01704-7 .
  3. ↑ 1 2 3 4 5 6 Irvin J. , Harl D. Transmisión de datos en redes: un enfoque de ingeniería. - San Petersburgo. : BVH-Petersburg, 2003. - 448 p. — ISBN 5-94157-113-5 .
  4. ↑ Sergienko A. B. Procesamiento de señales digitales. - San Petersburgo. : Pedro, 2002. - 608 p. — ISBN 5-318-00666-3 .
  5. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 Dunsmore, Brad, Skander, Toby. Manual de tecnologías de telecomunicaciones. —Williams. - M. , 2004. - 640 p. - ISBN 5-8459-0562-1 .
  6. ↑ Sklyar, Bernard. Comunicación digital. Fundamentos teóricos y aplicación práctica / Traducido del inglés. E. G. Grozy , V. V. Marchenko , A. V. Nazarenko . - 2da revisión.. - M. : Williams, 2007. - 1104 p. - ISBN 978-5-8459-0497-3 .
  7. ↑ 1 2 3 4 Shuvalov V. P. , Zakharchenko N. V. , et al. Transmisión de mensajes discretos: un libro de texto para universidades / ed. Shuvalov V. P. . - M. : Radio y comunicación, 1990. - 464 p. — ISBN 5-256-00852-8 .
  8. ↑ Dvorkovich V.P. , Dvorkovich A. V. Soporte metrológico de sistemas de información de video. — M .: Technosfera, 2015. — 784 p. - ISBN 978-5-94836-419-3 .
  9. ↑ Mylene Pischella , Didier Le Ruyet. Comunicaciones Digitales 2: Modulaciones Digitales. - John Wiley & Sons, 2015. - S. 28-30. — 334 pág. — ISBN 1119189993 . — ISBN 9781119189992 .
  10. ^ "Comunicaciones por cable T-SMINTO 4B3T Segunda generación ISDN NT modular (ordinario)" (PDF) (Hoja de datos). Versión 1.1. Infinion. Noviembre 2001. PEF 80902. . Consultado el 8 de enero de 2018. Archivado desde el original el 30 de diciembre de 2016.

Literatura

  • Goldstein Boris Salomónovich. Protocolos de red de acceso. - BHV-Petersburgo. — 2005.
  • Transmisión de mensajes discretos: libro de texto para escuelas secundarias / V. P. Shuvalov, N. V. Zakharchenko, V. O. Shvartsman y otros; ed. V. P. Shuvalova. - M.: Radio y comunicación, -1990-464 ISBN 5-256-00852-8
  • Sukhman S. M., Bernov A. V., Shevkoplyas B. V. Sincronización en sistemas de telecomunicaciones: análisis de soluciones de ingeniería. - M .: Eco-Trenz, - 2003, 272s. ISBN 5-88405-046-1

Enlaces