Tehnici de codare digital ă a semnalelor în banda de baz ă 4.1 Introducere Într-o transmisiune de date, informa ția transmis ă poate fi de origine… [614164]

1LUCRAREA NR. 4
Tehnici de codare digital ă a semnalelor în banda de baz ă

4.1 Introducere
Într-o transmisiune de date, informa ția transmis ă poate fi de origine analogic ă sau
numerică. Un semnal este considerat numeric (digital) dac ă el este discretizat în timp și în
amplitudine, ceea ce înseamn ă că amplitudinea sa poate lu a doar anumite valori, care
rămân constante pe intervale bine precizate de timp (respectiv pe intervalul corespunz ător
duratei unui simbol). Pentru semnalele analogice, amplitudinea acestora variaz ă de o
manieră continuă în timp.
O informa ție analogic ă poate fi convertit ă în numeric, de exemplu semnalele
video sau audio. De asemenea și procesul invers este posib il, respectiv conversia din
numeric în analogic.
4.1.1 Codarea semnalelor în banda de baz ă

Spunem despre o transmisie de date c ă se face „în banda de baz ă” dacă semnalul
de date nu sufer ă nici un fel de deplasare spectral ă datorată modulației. Semnalele în
banda de baz ă sunt supuse atenu ărilor introduse de c ătre liniile de transmisie, ele trebuind
regenerate periodic în cazul transmisiilor pe distan țe lungi.
În general, semnalul binar propriu zis nu este transmis pe linia de comunica ție sub
forma sa brut ă, ci se utilizeaz ă diverse tehnici de codare a acestuia în prealabil. Motivele
care stau la baza acestei cod ări sunt diverse:
•
Recuperarea tactului necesar unei transmisii sincrone este facilitat ă de către
secvențele binare care prezint ă tranziții cât mai numeroase între dou ă stări care
corespund unor simboluri. Este astfel de dorit evitarea transmiterii unor secve țe de
date care s ă corespund ă unor șiruri lungi de 1, respectiv 0.
• Formarea spectral ă („spectrum shaping”) a semnalului ce se transmite f ără a
utiliza tehnici de modulare sau filtrare. A cest lucru poate fi important de exemplu

2în aplicațiile pe liniile telefonice, care introduc atenu ări puternice ale semnalului
la frecven țe mai mari de 300kHz
• Eliminarea componentei continue din semnal
• Utilizarea eficient ă a benzii de frecven ță. Se pot transmite date cu un debit mai
mare utilizând aceea și bandă de frecven ță

4.2 Prezentarea unor tehnici de codare

• Codarea NRZ (Not Return to Zero)
Acest tip de codare folose ște două nivele de tensiune dife rite. Astfel un „1” logic
este reprezentat printr-un nivel pozitiv de tensiune (+V), în timp ce unui „0” îi
corespunde fie o tensiune nul ă (0V)- în varianta unipolar ă NRZ, fie o tensiune negativ ă
(-V) dacă ne referim la NRZ bipolar.
Codarea NRZ cunoa ște câteva variante:
– NRZ-L(Level): echivalent cu NRZ (1 – nivel ridicat, 0 – nivel coborât)
– NRZ-M(Mark): 1- apare o tranzi ție, 0 – nu apare nici o tranzi ție
– NRZ-S(Space): 1 – nu apare nici o tranzi ție, 0 – apare o tranzi ție
Debitul maxim teoretic care poate fi atins intr-o transmisie NRZ este egal cu
dublul benzii de frecven ță ocupată de către semnal (pot fi transmi și 2 biți/Hertz).
Principalul dezavantaj al cod ării de tip NRZ îl constituie lipsa tranzi țiilor în cazul
unor secven țe lungi de bi ți identici, ceea ce poate duce la pierderea sincroniz ării la
receptor.

• Codarea NRZI (Not Return to Zero Inverted)
Utilizări: Fast Ethernet (100 Base Fx), FDDI
Codarea NRZI produce o tranzi ție în semnal pentru fiecare „1”, iar „0” este
reprezentat prin lipsa tranzi ției. Se poate observa c ă transmiterea unui șir lung de „0”
poate provoca desincroniz ări. Eficien ța de utilizare a benzii este acea și ca la NRZ.

3• Codarea bifazic ă
Se utilizeaz ă trei variante ale acest ui tip de codare (BI Φ-L, BIΦ-M, BIΦ-S). Prima
dintre ele este cunoscut ă și sub denumirea de codare Manchester, și va fi prezentat ă
ulterior. În ceea ce prive ște codarea BI Φ-M, ea presupune apari ția unei tranzi ții la
începutul oric ărui interval de bit. Dac ă bitul este de „1”, atunci o a doua tranzi ție va apare
la mijlocul intervalului de bit. Pentru transm isia unui „0” nu se va mai produce nici un fel
de tranziție. Codarea BI Φ-S este exact inversa cod ării BIΦ-M (tranzi ție la începutul
intervalului de bit, urmat ă de o alt ă tranziție la jum ătatea acestui interval dac ă se
transmite „0”, sau f ără tranziție dacă se transmite „1”).

• Codarea Manchester
Utilizări: Ehernet 10Base5, 10Bas e2, 10BaseT, 10 BaseFL
Ideea care st ă la baza cod ării Manchester este aceea de a determina o tranzi ție
pentru semnalul emis, tranzi ție care să apară la mijlocul perioadei de bit. Astfel, un „1”
este reprezentat printr-o tranzi țe de la nivelul +V la nivelul –V, în timp ce unei tranzi ții
de la nivelul –V la nivelul +V îi corespunde un „0”. Este evident c ă în acest fel se asigur ă
sincronizarea între emi țător și receptor, chiar și în cazul transmisiei unor secven țe lungi
de „0” sau „1”. Mai mult decât atât, întrucât simbolurile bina re sunt repre zentate prin
tranziții și nu prin nivele constante (st ări) ca la codajul de tip NRZ, scade drastic
probabilitatea apari ției unor erori cauzate de mediul de transmisie. Un zgomot care
afectează semnalul poate modifica nive lele transmise, dar este pu țin probabil c ă el va
duce la inversarea tranzi ției sau la lipsa ei, conducâ nd astfel la erori la recep ție.
Dezavantajul cod ării Manchester const ă în faptul c ă, pentru a transmite cu un
anumit debit binar, este nevoie de o band ă de frecven țe disponibil ă dublă față de cea pe
care am utiliza-o în cazul alto r tipuri de codare (de exempl u pentru a transmite cu un
debit de 10Mbps avem nevoie de o l ățime de band ă de 10MHz). Acest inconvenient face
codarea Manchester dificil de ut ilizat pentru debite ridicate.

4• Codarea Manchester diferen țială
Utilizare: re țelele de tip Token-Ring
La baza cod ării Manchester diferen țiale stă prezența sau absen ța unei tranzi ții la
începutul intervalului de tact . Astfel, un bit de „1” este reprezentat prin lipsa unei
tranziții, în timp ce fiecare bit de „0 ” este semnificat prin prezen ța unei tranzi ții.
Avantajele, respectiv dezavan tajele acestui tip de codare sunt în general acelea și ca la
codarea Manchester nediferen țială.

• Codarea AMI bipolar ă (AMI-Alternate Mark Inversion)
Utilizare: transmisia ADSL (Additional Digital Subscriber Loop)
Principiu: zerourile sunt reprezentate printr-un poten țial nul (absen ța semnalului
electric pe linie), în timp ce bi ții de „1” sunt reprezenta ți alternativ prin tensiuni pozitive
(+V), respectiv negative (-V). În acest tip de codare pot exista intervale lungi de lips ă
semnal (pentru secven țe lungi de „0”), lucru care poate duce la pierderea sincroniz ării.
Există și varianta inversat ă a acestei cod ări, anume codajul pseudoternar , unde
lipsa semnalului simbolizeaz ă un bit de „1”, iar „0” este reprezentat alternant prin
potențiale pozitive și negative.
Plecând de la codajul AMI, s-au dezvoltat o serie de tehnici de codare care tind s ă
îl înlocuiasc ă pe acesta în sistemele moderne de tr ansmisiuni. Vom trata în continuare
unele dintre aceste coduri.

• Codarea B8ZS (Bipolar with 8 Zeros Substitution)
Utilizare: standardul T1(transmisie rapid ă de voce, date pe fire torsadate sau cablu
coaxial) Idee: Plecând de la codajul AMI bipolar, se înlocuiesc secven țele de 8 zerouri
consecutive, cu secven țe în care s ă apară tranziții pentru a se evita astfel pierderea
sincronismului. Astfel:
– dacă impulsul anterior acestei secven țe de „0” este de ni vel pozitiv, atunci
codul corespunz ător este 000+-0-+;
– dacă impulsul anterior acestei secven țe de 8 zerouri este de nivel negativ,
atunci codul corespunz ător este 000-+0+-;

5Utilizarea acestui tip de codare va produce dou ă violări ale alternan ței “+ -“,
situație care este improbabil s ă fie cauzat ă de către un zgomot.

• Codarea HDB-3 (High Density Bipolar Order 3)
Utilizare: standardele E1, E3
Principiu: Se dore ște din nou evitarea desincroniz ărilor ce ar putea apare la
secvențe de “0” lungi. Acest in convenient este comb ătut astfel: dac ă apare un șir de 4
zerouri consecutive, ultimul bit este înlocuit cu o tensiune de aceea și polaritate cu a
ultimului bit de “1” introdus (viol de bipolaritate). Aceast ă măsură ar putea duce îns ă la
apariția unei componente continue semnificative. De exemplu, șirul 100000000, ar putea
fi codat astfel : +000+000+. Pentru a evita asemenea situa ții, fiecare bit de viol de
bipolaritate trebuie ales de semn schimbat fa ță de precedentul. Tot pentru a evita
introducerea unei componente continue în semnal trebuie respectate regulile:
– dacă numărul de „1” de dup ă ultimul viol de bipolar itate este par, atunci
un grup de 4 zerouri consecutive se înlocuie ște cu secven ța „+00+” în
cazul în care ultimul nivel ne nul de dinaintea acestei secven țe a fost
negativ, respectiv cu „- 00-” în caz contrar;
– dacă numărul de „1” ce urmeaz ă ultimului viol de bi polaritate este impar,
atunci un grup de 4 zerouri consecutive se înlocuie ște cu secven ța „000+”
în cazul în care ultimul nivel ne nul de dinaintea acestei secven țe a fost
pozitiv, respectiv cu „0 00-” în caz contrar.
Un exemplu de codare HDB- 3 este ilustrat mai jos:

Viol de bi polaritate
Viol de bi polaritate
Viol de bi polaritate
Fig.1 : Exemplu de codare HDB-3

6• Codarea 4B/5B NRZI
Utilizare: FDDI, 100Base-X
Această schemă este de fapt o combina ție de 2 algoritmi de codare. Pentru a
înțelege semnifica ția acestei alegeri, s ă consider ăm pentru început alternativa simpl ă a
schemei NRZ. Cu NRZ, o stare a semnalului reprezint ă „1” binar, și o altă stare
reprezintă „0” binar. Dezavantajul clasic al acestei abord ări îl reprezint ă absența
sincronizării. În schema de codare 4B/5B, codarea se face cu 4 bi ți odată. Fiecare 4 bi ți
de semnal sunt coda ți într-un cuvânt de 5 bi ți de cod. Eficien ța acestei cod ări este de
80%: pentru a transmite date cu un debit de 100Mbps este necesar ă o lățime de band ă
disponibil ă de 125MHz. De remarcat c ă modul de transmisie al bi ților cuvântului de cod
nu se specfic ă. Se utilizeaz ă de obicei codarea NRZI (a jungându-se la un necesar de
bandă de 62.5 MHz) sau codarea MLT-3 (l ățime de band ă necesară de 31.25MHz).
Deoarece pentru a coda cele 16 combina ții posibile de câte 4 bi ți utilizăm doar 16
din cele 32 de combina ții posibile de câte 5 bi ți, rămân alte 16 grupuri care nu sunt
utilizate. Cuvintele de cod sunt astfel alese încât s ă nu existe mai mult de dou ă zerouri
succesive și mai puțin de dou ă tranziții (doi de „1”- în codaj NR ZI) în cuvîntul de cod de
5 biți.
Pentru codare se folose ște următorul tabel:
Date Cod Date Cod Simboluri speciale Cod
0000 11110 1000 10010 Q (Quiet) 00000
0001 01001 1001 10011 I (Idle) 11111
0010 10100 1010 10110 H (Halt) 00100
0011 10101 1011 10111 J (Start delimiter) 11000
0100 01010 1100 11010 K (Start delimiter) 10001
0101 01011 1101 11011 T (End delimiter) 01101
0110 01110 1110 11100 S (Set) 11001
0111 01111 1111 11101 R (Reset) 00111

Să consider ăm de exemplu secven ța binară de intrare 10000101111. Ea este
împărțită în grupuri de câte 4 bi ți, care se codeaz ă conform tabelei de codare : Tabel 1: Tabela de codare 4B/5B

71 0 0 0 0101 111. . .

Grupurile de cod care r ămân nefolosite sunt fie d eclarate invalide, fie cap ătă rolul
de simboluri de control a transmisiei, a șa cum se observ ă în tabelul de codare.

• Codare MLT-3 (MultiLevel Transmission-3)
Utilizare: Fast Ethernet 100BaseTx, 100BaseT4
Cu toate c ă 4B/5B-NRZI este eficace pe fibr ă optică, el nu poate fi folosit și în
transmisiile pe fire torsadate. Cablul UTP ac ționează asupra semnalului transmis
asemănător cu un filtru trece-jos, atenuând componentele de înalt ă frecvență și
distorsionând astfel puternic secven ța de date. Principiul cod ării MLT este urm ătorul:
numai biții de „1” produc o schimbare de stare a semnalului transmis în linie, în timp ce
biții de „0” las ă nemodificat ă starea corespunz ătoare bitului anterior. Bi ții de „1” sunt
codați succesiv prin 3 st ări: +V, 0, -V. Marele avantaj al acestui tip de codare este
reducerea semnificativ ă a benzii necesare pent ru un debit cerut, gra ție folosirii celor 3
stări: pentru un debit de 100Mbps l ățimea de band ă necesară este de doar 25MHz.

10 0 1 0 01011 111 0…
Tabela de codare
Fig.2 : Exemplu de codare 4B/5B

84.3 Mersul lucr ării

4.3.1 Programul de simulare
Pentru simularea modalit ăților de codare prezentate se va folosi un program de
simulare denumit Project1. La accesarea ac estui program, se va deschide fereastra
principală, prezentat ă mai jos.

După cum se poate observa, exist ă în partea de stânga sus a ferestrei butonul
„Tipuri de codare ” cu ajutorul c ăruia se poate selecta oricar e dintre tipurile de codare
prezentate. Este posibil ă generarea manual ă sau automat ă a secven ței care va fi codat ă.
Bitul curent generat, modalitatea lui de codare precum și tipul de tensiune corespunz ător
pot fi de asemenea vizualizate. În pa rtea de jos a ferestrei este redat ă forma tensiunii
trimise în linie conform secven ței binare ce trebuie codat ă.

Fig. 2 : Fereastra principal ă a programului de simulare

94.3.2 Sarcini de îndeplinit de c ătre studen ți

• Se va citi cu aten ție partea teoretic ă a lucrării, încercându-se în țelegerea principiilor
care stau la baza metodelor prezentate.
• Se va genera o secven ță de 12 de bi ți, care va fi codat ă în mod succesiv utilizând
următoarele tipuri de codare : NRZ-L, BI Φ-(L, M, S), Manchester, Manchester
diferențial, AMI binar, B8ZS, HDB3 (pen tru acesta veti folosi o secven ță mai lung ă,
de 24 de bi ți, care să conțină cel puțin două subșiruri de patru de „0” consecutivi),
4B/5B NRZI, MLT-3. Se va reprezent a grafic pe hârtie milimetric ă evoluția în timp a
tensiunii electrice pentru fiecare dintre aceste tipuri de codare.