Методы логического кодирования

Основы построения телекоммуникационных систем и сетей

Методы ЛОГического кодирования

Методические указания к лабораторным работам

Новосибирск

Федеральное агентство связи

Федеральное государственное образовательное бюджетное

учреждение высшего профессионального образования

"Сибирский государственный университет

телекоммуникаций и информатики"

Е.В. Кокорева

Основы построения телекоммуникационных

Систем и сетей

методы логического кодирования

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к лабораторным работам

Новосибирск

УДК

Е.В. Кокорева

В методических указаниях описан цикл лабораторных работ по дисциплине «Основы построения телекоммуникационных систем и сетей» для специальностей 210402 и 210405, а также профилей 5 и 7 направления 210700 подготовки бакалавров. Лабораторные работы основаны на использовании программы для финансовых научных и инженерных расчетов Mathcad.

Кафедра беспроводных информационных систем и сетей

Таблиц - 3, иллюстраций - 3, литературы - 3.

Рецензент – к.т.н., доцент О.И. Моренкова

Утверждено редакционно-издательским советом СибГУТИ в качестве методических указаний.

© Сибирский государственный университет

телекоммуникаций и информатики, 2012

Содержание

Содержание. 4

Введение. 5

Лабораторная работа №12. 6

Лабораторная работа №13. 9

Лабораторная работа №14. 11

Лабораторная работа №15. 14

Литература. 17

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. 18

Введение

Настоящие методические указания предназначены для использования в процессе лабораторного практикума по дисциплине «Основы построения телекоммуникационных систем и сетей» студентами специальностей 210402 и 210405, а также профилей 5 и 7 направления 210700.

В данном руководстве к лабораторным работам рассмотрены четыре метода логического кодирования, применяемые на канальном и физическом уровне для улучшения характеристик физических кодов в цифровых системах передачи данных.

Лабораторная работа №12

Методы логического кодирования. Скремблер

Цель работы: Изучение методов логического кодирования сигналов на примере скремблирования. Исследование процесса передачи данных кодовых последовательностей в цифровом канале. Оценка корректирующей способности кода.

Подготовка к лабораторной работе:

1. Повторить программирование в системе Mathcad.

2. Изучить лекционный материал дисциплины "Основы построения телекоммуникационных систем и сетей" по теме "Методы логического кодирования".

3. Изучить соответствующие разделы в литературе [1-3].

Краткая теория:

Одним из методов, улучшающих синхронизирующие характеристики потенциальных кодов, является скремблер.

Скремблирование заключается в побитном вычислении результирующего кода на основании битов исходного кода и полученных в предыдущих тактах битов результирующего кода. Вычисление основывается на следующем соотношении:

,

здесь B_i – двоичная цифра результирующего кода, полученная на i -м такте работы скремблера, A_i – двоичная цифра исходного кода, поступившая на i -м такте на вход скремблера, B_i-3 и B_i-5 – двоичные цифры результирующего кода, полученные на три и пять тактов ранее текущего такта работы скремблера и объединённые операцией исключающего ИЛИ (сложение по модулю 2).

Например, для исходной последовательности 110110000001 скремблер даст следующий результирующий код (первые три цифры результирующего кода будут совпадать с исходным кодом, так как ещё нет нужных предыдущих бит):

Таким образом, на выходе скремблера появится последовательность 110001101111, в которой нет последовательности из шести нулей, присутствовавшей в исходном коде.

Приёмник передаёт полученную последовательность дескремблеру, который восстанавливает исходную последовательность на основе обратного соотношения:

Различные алгоритмы скремблирования отличаются количеством слагаемых, определяющих цифру результирующего кода, и сдвигом между слагаемыми. Так, в сетях ISDN при передаче данных от сети к абоненту используется преобразование со сдвигами на 5 и 23 позиции, а при передаче данных от абонента в сеть – со сдвигами на 18 и 23 позиции.

Порядок выполнения:

1. Открыть рабочий лист Mathcad, содержащий результаты выполнения лабораторных работ №№ 1, 2, 5 или 6.

2. Разработать Mathcad-функцию скремблер на основе приведенного в методических указаниях примера.

3. Разработать Mathcad-функцию дескремблер.

4. Закодировать поочередно заданные в лабораторной работе №1 последовательности бит, используя скремблер из п.2.

5. Закодировать полученные коды с помощью метода NRZI или AMI (лабораторные работы №№5, 6 по выбору преподавателя).

6. Передать поочередно полученные в п.5 кодовые последовательности по каналу, используя модель из лабораторной работы №2.

7. Декодировать физический код, применяя декодеры из лабораторных работ №№5 или 6.

8. Дескремблировать логический код, используя дескремблер из п.3.

9. Вычислить BER для каждой последовательности (функция berCalc() из лабораторной работы №1).

10. Вычислить SER для текстовой строки (функция serCalc() из лабораторной работы №1).

11. Занести результаты в таблицу приложения 1.

12. Сдать и защитить работу.

Содержание отчёта по лабораторной работе:

1. Номер название и цель лабораторной работы.

2. Задание к лабораторной работе.

3. Разработанные в лабораторной работе функции.

4. Результаты выполнения с пояснениями.

5. Выводы по лабораторной работе.

Контрольные вопросы:

1. Какие методы логического кодирования вы знаете?

2. Обоснуйте необходимость применения логических кодов.

3. Опишите принцип скремблирования.

4. Приведите примеры алгоритмов скремблирования, отличных от описанного выше.

5. Выполните пример скремблирования заданной преподавателем последовательности бит.

Лабораторная работа №13

Логический код B8ZS

Цель работы: Изучение методов логического кодирования сигналов на примере B8ZS. Исследование процесса передачи кодовых последовательностей в цифровом канале. Оценка корректирующей способности кода.

Подготовка к лабораторной работе:

1. Повторить программирование в системе Mathcad.

2. Изучить лекционный материал дисциплины "Основы построения телекоммуникационных систем и сетей" по теме "Методы логического кодирования".

3. Изучить соответствующие разделы в литературе [1-3].

Краткая теория:

Название кода расшифровывается следующим образом: (B8ZS – Bipolar with 8 Zeros Substitution) – биполярный код с замещением восьми нулей.

Способ кодирования B8ZS, применяемый в сетях T1 и E1, также как описанный в лабораторной работе №14 код HDB3 считают разновидностями скремблирования. Они основаны на биполярной схеме AMI (лабораторная работа №6) и предназначены для улучшения свойства самосинхронизации физических кодов путем избавления передаваемых данных от длинных последовательностей одинаковых символов.

В отличие от скремблера (см. лабораторную работу №12) данный метод исправляет последовательности, состоящие из восьми нулей. Для этого он после первых трёх нулей вместо оставшихся пяти нулей вставляет пять цифр: V1 * 0V1 * (рисунок 13.1). Здесь V обозначает сигнал единицы, запрещённой (Violations) для данного такта полярности, то есть сигнал, не изменяющий полярность предыдущей единицы, 1 * – сигнал единицы корректной полярности (звёздочка означает, что в исходном коде в этом такте была не единица, а ноль).

Рисунок 13.1 – Сравнение методов кодирования AMI и B8ZS

В результате на восьми тактах приёмник замечает два искажения – очень маловероятно, что это случается из-за шума на линии или других сбоев передачи. Поэтому приёмник считает такие нарушения кодировкой восьми последовательных нулей и после приёма заменяет их исходными восьмью нулями.

Код B8ZS построен так, что его постоянная составляющая равна нулю, благодаря тому, что соотношение нулей и единиц кодовой последовательности приблизительно равно при любых последовательностях двоичных цифр.

Порядок выполнения:

1. Открыть рабочий лист Mathcad, содержащий результаты выполнения лабораторных работ №№ 1, 2.

2. Разработать Mathcad-функцию кодера B8ZS на основе кодера AMI (лабораторная работа №6).

3. Разработать Mathcad-функцию декодера B8ZS.

4. Закодировать поочередно заданные в лабораторной работе №1 последовательности бит, используя кодер из п.2.

5. Передать поочередно полученные в п.4 кодовые последовательности по каналу, используя модель из лабораторной работы №2.

6. Декодировать принятую последовательность, используя декодер из п.3.

7. Вычислить BER для каждой последовательности (функция berCalc() из лабораторной работы №1).

8. Вычислить SER для текстовой строки (функция serCalc() из лабораторной работы №1).

9. Занести результаты в таблицу приложения 1.

10. Сдать и защитить работу.

Содержание отчёта по лабораторной работе:

1. Номер название и цель лабораторной работы.

2. Задание к лабораторной работе.

3. Разработанные в лабораторной работе функции.

4. Результаты выполнения с пояснениями.

5. Выводы по лабораторной работе.

Контрольные вопросы:

1. Сравните характеристики кодов AMI и B8ZS.

2. Где применяется метод кодирования B8ZS?

3. Охарактеризуйте преимущества и недостатки кода B8ZS.

4. Что можно сказать о спектральных характеристиках данного вида кодирования?

5. Почему отсутствует постоянная составляющая кодировки B8ZS?

Лабораторная работа №14

Логический код HDB3

Цель работы: Изучение методов логического кодирования сигналов на примере HDB3. Исследование процесса передачи кодовых последовательностей в цифровом канале. Оценка корректирующей способности кода.

Подготовка к лабораторной работе:

1. Повторить программирование в системе Mathcad.

2. Изучить лекционный материал дисциплины "Основы построения телекоммуникационных систем и сетей" по теме "Методы логического кодирования".

3. Изучить соответствующие разделы в литературе [1-3].

Краткая теория:

В локальных сетях Японии и Европы широко используется биполярный код с большой плотностью с тремя нулями (HDB3 – High Density Bipolar 3 zeros).

Код HDB3 исправляет четыре любых смежных нуля в исходной последовательности. Правила формирования кода HDB3 более сложные, чем кода B8ZS. Каждые четыре нуля заменяются четырьмя сигналами, в которых имеется один сигнал V (запрещенной полярности). Для подавления постоянной составляющей полярность сигнала V чередуется при последовательных заменах (если предыдущее нарушение было положительным, то данное будет отрицательным и наоборот). Кроме того, для замены используются два образца четырёхтактных кодов. Если перед заменой исходных код содержал нечётное число единиц, задействуется последовательность 000V, а если число единиц было чётным – последовательность 1*00V (рисунок 14.1):

Рисунок 14.1 – Сравнение методов кодирования AMI и HDB3

Таким образом, достигается узкий спектр сигнала при использовании методов B8ZS и HDB3. Большая часть энергии сосредоточена в диапазоне спектра вокруг частоты, равной половине скорости передачи данных (рисунок 14.2).

Рисунок 14.2 – Спектральные характеристики кодов AMI, B8ZS и HDB3

Следовательно, данные методы хорошо подходят для передачи данных на высоких скоростях.

Порядок выполнения:

1. Открыть рабочий лист Mathcad, содержащий результаты выполнения лабораторных работ №№ 1, 2.

2. Разработать Mathcad-функцию HDB3 кодер на основе приведенного в методических указаниях примера.

3. Разработать Mathcad-функцию HDB3 декодер.

4. Закодировать поочередно заданные в лабораторной работе №1 последовательности бит, используя HDB3 кодер из п.2.

5. Передать поочередно полученные в п.4 кодовые последовательности по каналу, используя модель из лабораторной работы №2.

6. Декодировать кодовую последовательность на приёмной стороне, применяя декодер из п.3.

7. Вычислить BER для каждой последовательности (функция berCalc() из лабораторной работы №1).

8. Вычислить SER для текстовой строки (функция serCalc() из лабораторной работы №1).

9. Занести результаты в таблицу приложения 1.

10. Сдать и защитить работу.

Содержание отчёта по лабораторной работе:

1. Номер название и цель лабораторной работы.

2. Задание к лабораторной работе.

3. Разработанные в лабораторной работе функции.

4. Результаты выполнения с пояснениями.

5. Выводы по лабораторной работе.

Контрольные вопросы:

1. Сравните характеристики кодов AMI и HDB3.

2. Сравните HDB3 и B8ZS.

3. Закодируйте предложенную преподавателем информационную последовательность.

4. Что можно сказать о спектральных характеристиках данного вида кодирования?

5. Что такое сигнал запрещенной полярности?

6. В каком случае и для чего в кодовую последовательность помещается 1 *?

Лабораторная работа №15

Логический код 4B/5B

Цель работы: Изучение методов логического кодирования сигналов на примере 4B/5B. Исследование процесса передачи кодовых последовательностей в цифровом канале. Оценка корректирующей способности кода.

Поиск по сайту: