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1、4.3 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,即“有光脉冲”表示“”码, “无光脉冲”表示“0”码。 线路编码是指使用一套规则把信号符号编排为一个特殊的格式。其主要功能是在数据流中引入冗余码,从而使信道干扰引起的误码最小。,简单的二电平码会带来如下问题: 在码流中,出现“”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“”码或长串连“0”码,这样可能造成
2、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。,长连1码引起的接收机基线漂移(由于接收机低频效应引起输出脉冲的拖尾所致)有可能产生误码。,光脉冲只能采 取单极性,因 此光脉冲包含 直流分量,交流耦合网络不能通过码流包含的直流分量,矩形脉冲经过交流耦合网络时出现反极性拖尾 脉冲序列的拖尾相互交叠造成基线漂移 对于给定的判决阈值,漂移将影响判决,数字光纤通信系统对线路码型的主要要求是保证传输的透明性,具体要求有: (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
3、, 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。因而应尽可能减少连“”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。,例如: 扰码前: 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 扰码后: 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 0 1 1 ,4.3.1 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,
4、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“”码与“0”码的分布, 从而改善了码流的一些特性。,扰码有下列缺点: 不能完全控制长串连“”和长串连“0”序列的出现 没有引入冗余, 不能进行在线误码监测; 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。,4.3.2 mBnB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。
5、 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。 特点:将m位二进制比特编成n (nm)位码并在相同的时间长度 内发送出去,即在数据流中引入冗余 优点:基本能避免长连0和长连1的出现 冗余的引入可以增强纠错能力 缺点:带宽比原来增大了n/m倍,1. mBnB码编码原理,最简单的mBnB码是1B2B码,即曼彻斯特码,这就是把原码的“”变换为“01”, 把“1”变换为“10”。 因此最大的连“”和连“”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
6、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,见表4.2。 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“”;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。,作为普遍规则,引入“码字数字和”(WDS)来描述码字的均匀性,并以WDS
7、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nB码的码字中,用“-1”代表“0”码, 用“+1”代表“”码,整个码字的代数和即为WDS。 如果整个码字“”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4.3 示出根据这个规则编制的一种
8、3B4B码表,表中正组和负组交替使用。,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“”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4.4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
9、=0和12个WDS=-2。,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码的特点是: (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。,2. 编译码器,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。 一种是把设计好的
10、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4.22。 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 4.22 码表存储编码器原理,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
11、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。,4.3.3 插入码,插入码是把输入二进制原始码流分成每m比特(mB)-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。,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。,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
12、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,连“0”码和连“1”码的数目最少。 mB1C码的结构如图4.23所示,例如: mB码为: 100 110 001 101 mB1C码为: 1001 1101 0010 1010,图 4.23 mB1C码的结构,mB1H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
13、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码相似, 但P码有以下两种情况: (1) P码为奇校验码时, 其插入规律是使m+1个码内“1”码的个数为奇数, 例如: mB码为: 100 000 001 110 mB1P码为: 1000 0001 0010 1101 当检测得m+1个码内“”码为奇数时,则认为无误码。,(2
14、) P码为偶校验码时,其插入规律是使m+1个码内“”码的个数为偶数, 例如: m B码为: 100 000 001 110 mB1P码为: 1001 0000 0011 1100 当检测得m+1个码内“”码为偶数时, 则认为无误码。,2. 编译码器,和mBnB码不同,mB1H码没有一一对应的码结构,所以mB1H码的变换不能采用码表法,一般都采用缓存插入法来实现。 图4.24示出4B1H编码器原理,它由缓存器、写入时序电路、插入逻辑和读出时序电路四部分组成。4B1H码是每4个信号码插入一个H码, 因此变换后码速增加1/4。 设信号码的码速为34 368 kb/s, 经4B1H变换后, 线路码的码
15、速为(5/4)34 368 kb/s=42 960 kb/s。34 368 kb/s的NRZ信号码送入缓存器。,图 4.24 4B1H编码器原理,缓存器是4D触发器, 它利用锁相环中的4分频信号作为写入时序脉冲,随机但有顺序地把34 368 kb/s信号码流分为4比特一组,与H码一起并联送入插入逻辑。 插入逻辑电路实际上是一个5选1的电路,它利用锁相环中5分频电路输出读出时序脉冲。由插入逻辑输出码速为42 960 kb/s的4B1H码。 图4.25示出4B1H译码器原理,它由B码还原、H码分离、帧同步和相应的时钟频率变换电路组成。把42960 kb/s的4B1H码加到缓存器,因4B1H码是5比特为一组,所以缓存器应有5级, 并用不同的时钟写入。,图 4.25 4B1H译码器原理,频率变换电路要保证向各个部分提供所需的准确时钟信号。通过缓存器,实际上已把B码和H码分开, 只要用34 368 kHz的时钟把B码按顺序读出,B码就还原了。 B码的还原电路实际上就是并串变换电路,由4选1电路来实现。 数字光纤通信系统常用几种线路码的主要性能列于表4.5。,