线路编码方案 —— 《数据通信与网络》4th

线路编码方案

分类

单极编码方案

　　在单级编码方案中，所有的信号电平都在时间轴的一边，或者时间轴的上面或者时间轴的下面。

　　不归零 (NRZ) 一般，单级编码方案设计成不归军 (non-return-to-zero NRZ) 方案，在此方案中正电平定义成位 而零电平定义成位 。之所以称为NRZ ，是因为在位中间信号不会回到零。

　　图4.5 说明了单级NRZ方案。

　　与它的极性对应方案相比(见下节) ，这个方案成本很高。正如我们很快会看到的，标准功率(每个单元线路阻抗发送 位所需的功率)是极性NRZ方案的两倍。基于这个原因，现在这个方案不用于数据通信中。

极性编码方案

　　在极性编码方案中，电平在时间轴的两边。例如，0的电平可能是正的，而 1 的电平可能是负的。

　　不归零编码 (NRZ) 在极性NRZ (polar NRZ) 编码中，信号的振幅使用两个电平。

　　极性NRZ有两种常见形式: NRZ-L NRZ-I

　　如图 4.6所示。图中也说明了 rf直、平均波特率和带宽。

　　第一种形式NRZ-L (NRZ 电平编码， NRZ-Level) ，信号电平决定了位值。

　　而第二种形式NRZ-I (NRZ反相编码， NRZ-Invert) ，信号电平是否反相转或跳变决定了位值。如果没有跳变，位值是0，如果有跳变，位值是1。

 注：

　　在NRZ-L 中， 电平决定了位值。在NRZ-I 中电乎是否反相转决定了位值。

　　让我们基于前面规定的标准来比较这两个方案。虽然基线偏移对这两个方案都是个问题，NRZ-L NRZ-I 更严重。如果在NRZ-L 中有一个全0或全1的长序列，平均信号功率就会变斜。接收方辨别位值就会较困难。而在NRZ-I 中这个问题只发生在全0的长序列中。如果我们能消除全0的长序列，我们就可以避免基线偏移。我们很快就会看到如做到这一点。

　　同步问题(发送方和接收方的时钟不同步)也都存在于这两个方案中。同样，这个问题NRZ-L中比NRZ-I 中更严重。在这两个方案中，全1的长序列都会引起问题，而全0的长序列只在NRZ-L 中引起问题。

　　当系统中的极性意外改变肘， NRZ-L会发生另一个问题。例如，如果介质是双绞钱，该双绞线意外改变引起将所有0解释为所有的1或所有的1解释为所有0。NRZ-I 不会有这个问题。两个方案都有N/2波特的平均信号速率。

注：

　　NRZ-L NRZ-I 都有N/2Bd 的平均信号速率。

 

　　接下来讨论带宽。

　　图4.6 中还表示了两个方案的标准带宽。

　　垂直轴表示功率密度(每 1Hz带宽的功率) ，水平轴表示频率。对这种类型编码，带宽隐藏了一个很严重的问题。

　　在频率接近于零时，功率密度值会很高。这意味着有携带了高电平能量的DC成分。

　　实际上，大多数能量集中在 N/2之间的频率。这意味着虽然平均信号速率是N/2，但是能量被平均在这两个值之间的频率中。

注：

　　在NRZ-L 中， 电平决定了位值。在NRZ-I 中电乎是否反相转决定了位值。

 　　NRZ-L和NRZ-I都有DC成分问题。

 

例4.4

　　系统使用NRZ-I传输10Mbps数据。试问平均信号速率和最小带宽是多少?

解:

　　平均信号速率是S=N/2=500 kBd。这个平均波特率的最小带宽是         

归零编码(RZ)

　　当发送方和接收方时钟不同步时，NRZ编码的主要问题就发生了。接收方不知道一个位何时结束， 下一个位何时开始。一种解决方法是归零编码(return-to-zer，RZ)方案，它使用三个值：正值、负值和零。

　　在RZ中，信号不在两个位之间变化而是在位中变化。在图4.7中，我们看到在每个位中间信号变成0。它保持到下一个位开始。

　　RZ编码的主要缺点是它需要两个信号变化来编码一个位，因此占用更大的带宽。我们前面提到的问题——极性意外改变会导致所有的0被解释成所有的1，而所有的1被解释成所有的0的问题同样存在，但没有DC成分问题。

　　另一个问题是复杂性：RZ使用三个电平，这样生成和辨别更加困难。这些缺陷使得今天不再使用这个方案。

　　它由性能更好的曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码方案替代(会在后面部分讨论)。

双相编码：曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码

　　RZ的思想(位中间跳变)和NRZ-L的思想共同组成了曼彻斯特(Manchester) 编码方案。在曼彻斯特编码中，位的持续时间被二等分。在前半部分电平保持一个水平，后半部分变成另一个水平。位中间的跳变提供了同步。另一方面,差分曼彻斯特(Differential Manchester) 组合了RZ和NRZ-I的思想。在位中间总是有一个跳变，但是位值在位开始时确定。如果下一个位是0，就有一个跳变。如果下一个位是1， 则没有跳变。 图4.8显示了曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码。

　　在曼彻斯特和差分曼彻斯特编码中，位中间的跳变用于同步。

　　曼彻斯特编码方案克服了NRZ-L编码的一些问题，差分曼彻斯特编码方案克服了NRZ-I编码的一些问题。 首先，没有基线偏移。 因为每个位是正负电平值，所以没有DC成分。唯一的缺点是信号速率。 曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码的信号速率是NRZ的两倍。原因是每个位中间都有一个跳变，而在每个位结束可能有一个跳变。图4.8说明了曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码方案。注意曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码方案也称为两相(biphase) 方案。

 　　曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码的最小带宽是NRZ的两倍。

双极性方案

　　在双极(bipolar) 编码(也称为多电平二进制(multilevel binary)) 中,有三个电平:正值、 负值和零。一个数据元素的电平是0，而另一个数据元素的电平在正值、 负值间交替。

　　在双极编码中，我们使用三种电平：正值、 负值和零。

　　AMI和伪三元编码  图4.9显示了双极编码的两种编码：AMI和伪三元编码。一个常用的双极编码方案称为双极交替传号反转(alternate mark inversion, AMI)。

　　在AMI中,传号这个名词来自电报，它指的是1。 

　　因此，AMI表示的含义是交替的1的反换。 中值O电平表示二进制0，而二进制1由交替正负电平表示。

　　AMI编码的一个变型是伪三元编码(pseudoternary)，位1编码成0电平，而位0编码成交替正负电平。

 　　双极型方案是NRZ的替代方案。双极型方案的信号速率和NRZ一样，但是没有DC成分。NRZ方案中很大部分能量集中于频率0附近，如果通道这个频率附近性能较差，这类编码是不适合的。在双极编码中能量集中于频率N/2处。图4.9说明了双极方案的典型能量集中。

　　有人可能会问为什么在双极编码中没有DC成分?理论上，我们可以通过使用傅里叶变换来回答这个问题，但也可以直观地说明。如果有一串1的长序列， 电平在正值和负值间交替，它不是常数。所以没有DC成分。对于一串0的长序列， 电平保持常数，但是它的振幅是0， 同样也没有DC成分。换言之，产生恒定0电平的序列不会有DC成分。

　　AMI通常用于长距离通信，但是当数据中存在0的长序列时就会有同步问题。在本章后面会看到用扰动技术解决这个问题。

多电平方案

　　增加数据速度或者降低所需带宽的需求导致了很多方案的产生。 目标是通过把m个数据元素的模式编码成n个信号元素的模式， 增加每波特的位数。 我们只有两种数据元素(0和1)，这表示m个数据元素组可以产生2"个数据模式组合。不同信号元素可用不同的电平表示。如果有L个不同的电平，就能产生L"个信号模式组合。如果2"= L"，那么每个数据模式编码成一个信号模式。如果2"<L"， 那么数据模式只能占据一个信号模式的子集。应仔细设计这个子集来避免基线偏移、提供同步并检测数据传输中出现的差错。 如果2">L"，数据编码就不可能了，因为有一些数据模式就不能编码了。

　　编码设计者以mBnL区分这些编码类型，这里m是二进制模式的长度，B表示二进制数据，n是信号模式的长度，L是信号中的电平数。 一般用字母L替换：L = 2是用B表示(二元)、 L=3时用T(三元)、L = 4时用Q(四元)。注意前两个字母定义了数据模式，后两个字母定义了信号模式。

　　在mBnL方案中，m个数据元素模式编码成n个信号元素模式，2""<=L"。

2B1Q

　　我们讨论的第一个mBnL方案, 两个二元一个四元 (two binary, one quaternary,2B1Q)使用长度为2的2位数据模式编码成一个4电平信号元素。在这个编码类型中，m=2、n=1、 L=4。 图4.10显示了2B1Q的一个例子。

　　2B1Q的平均信号速率是S=N/4。这意味着是用2B1Q发送数据可以比NRZ-L快2倍。但是，2B1Q使用4个不同的信号电平，意味着接收方需要辨别4个不同的阈值。降低的带宽带来了成本的提高。因为2²=4¹所以这个方案中没有多余的信号模式。

　　正如我们会在第9章中看到，2B1Q用于DSL(数字用户线路) 技术，通过使用用户电话线提供高速因特网连接。

8B6T  

　　一个很有趣的方案是8个二元、6个三元(eight binary, six ternary,8B6T)。这个编码用于100BASE-4T电缆，我们会在第13章看到。这个方案是把8位模式编码成6个信号元素模式，每个信号有3个电平(三元的)。我们可以有         个不同的数据模式和    个不同的信号模式。附录D给出了映射表。有478-256=222个冗余的信号元素用来提供同步和差错检测。其中一部分还用来提供DC平衡。每个信号模式有0或+1的DC值的平衡量。这意味着没有平衡量为-1值的模式。为了DC整个流实现DC-平衡，发送方必须关注平衡量。如果两个平衡量为+1的组紧接着，第一个组保持原状发送，而接着的第二个组全部取反使得平衡量为-1。

图4.11给出了3个数据模式编码成3个信号模式的例子。3个可能的信号电平表示为-、0和+。 第一个8位模式00010001编码成平衡量为0的信号模式-0-0++； 第二个8位数据模式01010011编码成平衡量为+1的信号模式-+-++0； 第三个8位数据模式编码成平衡量为+1的信号模式+--+0+。为了建立DC平衡，发送方反相实际的信号。接收方能轻易地辨认出这是反相过的模式， 因为平衡量为-1。模式在解码前反相。

　　这个方案的平均信号速率理论上是      实际上最小带宽十分接近6N/8。

4D-PAM5

　　我们在这个类别中讨论的最后一个信号方案称为4维5级脉冲振幅调制(four-dimensional five-level pulse amplitude modulation, 4D-PAM5)。 4D表示数据同时通过4条线路发送。 它使用5个电平： -2、 -1、 0、 1和2。但是电平0只用于发送差错检测(在第10章讨论)。如果假定编码是一维的，4个电平产生类似于8B4Q方案的编码。换言之，一个8位码字转换成一个4电平的信号元素。这个假想一维版本的最差信号速率是N×4/8或N/2。

　　设计4D-PAM5技术用来通过4个通道(4条线路) 发送数据。这意味着信号速率可以降低到N/8，大幅度的改进。所有8个位会同时进入一条线路通过使用1个信号元素发送。关键点在于4个信号元素组成1个信号组，并通过四维环境同时发送。

　　图4.12给出了假想的一维和实际的四维实现。吉位LAN(见第13章) 是用这个技术来通过4条铜线电缆(能处理125Mbd)发送1Gbps数据。这个方案的信号模式有很大的冗余，因为2⁸个数据模式匹配            个信号模式。额外的信号模式可以用于诸如差错检测等其他目的。

多线路传输: MLT-3

　　NRZ-I和差分曼彻斯特编码是差分编码，但使用两种不同的跳变规则来编码二进制数据(没有反相、有反相)。如果信号的电平多于两个，可以设计一种多于两个跳变规则的差分编码方案。 MLT-3就是其中之一。 三电平多线路传输 (multiline transmission, three level,MLT-3) 方案使用三个电平(+V、 0、 -V) 和三个跳变规则在电平间变动。

1.如果下一个位是0， 没有跳变。

2.如果下一个位是1而且当前电平不是0，  下一个电平是0。

3.如果下一个位是1而且当前电平是0， 下一个电平是最后一个非零电平的相反值。

　　图4.13所示的状态图很好地描述了MLT-3。 三个状态 (用椭圆) 表示三个电平(+V、0、 -V)。 连接线表示一个状态 (电平) 到另一个状态 (电平) 的跳变。 图4.13还给出了MLT-3信号的两个例子。

　　有人可能想知道为什么需要使用MLT-3，一个位映射成一个信号元素的方案。信号速率和NRZ-I一样，但是更复杂(三个电平和复杂的跳变规则)。看起来这个方案中信号形状帮助降低了所需的带宽。让我们看一看最坏的情形，全1的序列。 每4个位就重复信号元素模式+V0-V0。非周期信号已经变成周期信号，周期等于4倍位持续时间。这个最坏情形可以模拟成频率为1/4比特率的模拟信号。当我们需要在铜线电缆(不能支持高于32MHz，高于这个电平的频率会产生电磁发射) 上发送100Mbps时， MLT-3是个合适的选择。 MLT-3和LAN会在第13章中讨论。

线路编码方案小结

我们在表4.1中总结了前面讨论的各种方案的特性。

　　　　　　　　　　　　表4.1  线路编码方案小结

 

类别	方案	带宽  (平均)	特   性
单极	NRZ	B=N/2	成本高， 0或1的长序列没有自同步，	DC
单极	NRZ-L	B=N/2	全0或全1的长序列没有自同步，	DC
	NRZ-I	B=N/2	全0的长序列没有自同步，	DC
	双相	B=N	自同步， 没有DC，  高带宽
双极	AMI	B=N/2	全O的长序列没有自同步，	DC
多电平	2B1Q	B=N/4	相同双位的长序列没有自同步
	8B6T	B=3N/4	自同步， 没有DC
	4D-PAM5	B=N/8	自同步， 没有DC
多线路	MLT-3	B=N/3	全0的长序列没有自同步