MUNKAANYAG. Érdi Péter. Különböző kódolások kialakítása. A követelménymodul megnevezése: Távközlési alaptevékenység végzése

Érdi Péter Különböző kódolások kialakítása A követelménymodul megnevezése: Távközlési alaptevékenység végzése A követelménymodul száma: 0908-06 A tartalomelem azonosító száma és célcsoportja: SzT-015-50

KÜLÖNBÖZŐ KÓDOLÁSOK KIALAKÍTÁSA ESETFELVETÉS MUNKAHELYZET A híradástechnikai alapismeretek egyik témaköre pl. a PCM. A kettes számrendszerbe kódolt jelfolyam nulla-egyes bitekkel valósítható meg. A PCM azonban közvetlenül ebben a formában nem vihető át. Mi a probléma, mit tegyünk? A digitalizálás eredményeként keletkezett bitsorozatot át kell alakítani. Erről szól a vonali kódolás tananyagegysége. A vonalra kerülő jelek mérése, értelmezése csak akkor válik érthetővé, ha megismerjük a vonali kódolások értelmét és típusait. SZAKMAI INFORMÁCIÓTARTALOM DIGITÁLIS JELEK KÓDOLÁSA A digitális jelek általában a mintavételezés, kvantálás során keletkeznek. A legtöbb digitális jel elsődlegesen bináris jelfolyamként jelenik meg, ami nulla-egy számokkal jellemezhető és alacsony-magas feszültségértékekkel valósítható meg. A távközlés feladata az, hogy az információt tartalmazó jelsorozatot eljuttassa a vételi oldalra. Az adó-vevőt összekötő eszköz a CSATORNA azonban csak adott formájú jeleket képes továbbítani. 1. ábra. Átviteli utak 1

Sokféle átviteli út étezik: légvezetékes, földalatti, szimmetrikus - aszimmetrikus rézhálózat, optikai hálózat, mikrohullámú átvitel, mobil hálózat, műholdas összeköttetés, földi sugárzású hálózat stb. A különböző átviteli csatornák különféle jeleket képesek továbbítani. Ehhez alkalmazkodva kell átalakítani az információ jelét. Ezt a folyamatot nevezik kódolásnak. A kódolás egy olyan megállapodás, amivel az eredeti információt egy megváltoztatott jelsorozathoz társítjuk. Fontos, hogy dekódolással az információ visszanyerhető legyen. 1. Az információs jelsorozatot különféle célok elérése érdekében érdemes átalakítani. Néhány elérendő cél: 1. Az információforrás üzeneteinek tömörítése (forráskódolás). 2. Biztonságos továbbítás pl. titkosítással 3. A csatornának (vonalnak) kedvező átviteli forma kialakítása (csatornakódolás) A csatornakódolás két legfontosabb feladata: 1. A zajos csatornán megbízhatóan küldjük át a jelet- ezek a hibajavító kódok, 2. Átvihető jelekkel és optimálisan használjuk ki a csatorna kapacitását - ezek a vonali kódok. Ebben a tananyagban csak a vonali kódolással foglalkozunk. A kedvező átviteli forma kialakítása vonali kódolással történik. Sokféle vonali kód létezik, de az optimális kód kiválasztásához több (esetleg ellentmondó) szempontot kell figyelembe venni: - Ne legyen egyenáramú összetevő, mert az átviteli úton használt vonali transzformátorokon egyenáram nem továbbítható. (A négyszögjelek spektrumának kialakulásánál törekedjünk az alacsony frekvenciás összetevők teljesítményének csökkentésére is). - A spektrum felső határfrekvenciájának csökkentése kisebb kábelcsillapítást eredményez, így nagyobb távolságra továbbítható a jel ugyanazon a vezetéken. (Például egy városi hálózatban használt 0,4 mm átmérőjű rézvezetéken 2 Mbit/s letöltési sebesség esetén az ADSL-t működtető távolság kb. 4,5 km lehet. A központtól mért távolság csaknem a felére (2,5 km-re) csökken, ha 6 Mbit/s letöltési sebességet akarunk elérni.) - Továbbá amennyiben a vonali kód kevesebb polaritásváltással működik (kisebb a sávszélessége), akkor több információ (kód) vihető át ugyanazon a csatornán. - Ha van elegendő feszültségváltás az adó és a vevő között, akkor a szinkronállapot fenntartásához nem kell külön vezeték. Ez éppen ellenkezik az előző ponttal, ahol kevesebb polaritásváltással kisebb sávszélességet szerettünk volna elérni. 2

- Tegye lehetővé az időzítést, azaz a vett jelből kinyert órajellel (szinkronnal) legyen megállapítható a jelsorozat kezdete. Ennek egyik megvalósítása során a sok egyforma bit átvitelét polaritásváltással oldhatjuk fel. (Például telefonálási szünetben csupa nulla megy át, a vevő kiesne a szinkronállapotból). - Ha a jelek nem polarizáltak, akkor a kétvezetékes átvitelnél tetszőleges lehet a bekötés, de ez a szempont ellentmond az előző pontnak. - A kódol jelsorozat hibátlan vételét könnyíti meg, ha a 0-1-es amplitúdó érzékelése helyett a jel polaritásának megváltozását figyelik. Ez fontosabb előny, mint az előző. - Csökkenjen az átviteli sebesség. Kisebb átviteli sebesség esetén ugyanazon a csatornán több kódolt jel vihető át. - Alacsony legyen a bithiba aránya. A digitális jelnél akkor következhet be hiba, ha a zajfeszültség eléri a kvantumlépcső feszültségszintjének a felét. Ekkor felfelé, vagy lefelé kerekíthet az áramkör. A küszöbfeszültség kismértékű növelésével exponenciálisan csökken a bithiba aránya. Másképpen fogalmazva jel/zaj viszony néhány decibeles javításával nagymértékű zajvédettség érhető el. - Célszerű a kódolás során redundanciát adni jelhez, hogy az átvitel során fellépő hibákat fel lehessen ismerni, és ki lehessen javítani. Ezzel természetesen nő a sávszélesség és csökken az információ átviteli sebessége, ennek ellenére gyakran alkalmazzák a redundanciát. - A kódolás során történő átalakítást olcsó, egyszerű, gyors áramkörökkel biztosítsuk. - A visszaalakítás (dekódolás) legyen egyértelmű. 2. A vonali kódok felosztása a polaritás és a periódusidő kitöltési százaléka szerint 2. ábra. NRZ és RZ kódok A bitek állapotai nem jelentenek automatikusan feszültség szinteket! 3

A 0-1 állapot nem azonos a 0 V és az 1V feszültségértékekkel. Ez a 0-1 állapot elképzelhető úgy is, hogy a 0-t negatív, az 1-et pozitív feszültség hozza létre (lásd: 1. ábra - poláris része). A poláris jelet szokás bipolárisnak - kétállapotúnak is nevezni. A poláris jel előnye, hogy nincs egyenáramú középértéke. Optikán nem a feszültség értéke, hanem a fény intenzitásának változása jelenti a 0-1 váltást, ezért alkalmazható például az U/NRZ jel is. 3. A vonali kódok felosztása a felvehető állapotok (m) szerint: A vonali kódot nem csak kétállapotú bitekkel állíthatjuk elő. Több állapot is lehet, de ekkor nem bitekről, hanem impulzusokról, mintákról beszélünk. Bináris - m = 2 állapotú (0, 1) Ternáris - m = 3 állapotú (-1, 0, +1) Kvaternáris - m = 4 állapotú (-U 2, -U 1, +U 1, +U 2 ) Kvináris - m = 5 állapotú (-U 2, -U 1, 0, +U 1, +U 2 ) 4

NRZ KÓDOK 3. ábra. NRZ kódok 1. Unipoláris NRZ (Non Return to Zero Nullára vissza nem térő) jelsorozat. Ez a jelforma fordul elő leggyakrabban a digitális jelek előállításánál. Az egyeseknek megfelelő pozitív feszültség addig van a vonalon, ameddig nem vált nullára a bit. Több egymást követő egyes esetén a jel nem tér vissza nullára, hanem magas állapotban marad. Ilyen például a PCM jel. Ezt azonban nem lehet átvinni a rézhálózaton, mert egyenáramú összetevője van, (pl. U/2, ha sorozat: 10101010). Alkalmazási területek: Pl.: optikai hálózaton 140 Mb/s sebességű kvarter PCM átvitelnél. 5

2. P/NRZ, azaz poláris NRZ jel. Az ábrán a nullának negatív, az egynek pozitív feszültség felel meg. Itt is a teljes bitidő alatt változatlan a jel, 100 %-os a kitöltés. Alkalmazási területek: - ATM (Asynchronous Transfer Mode - Aszinkron átviteli mód) 78 MHz sávszélességű, 155 Mb/s átviteli sebességű multimódusú optikai kábellel kialakított hálózat is NRZ kódolású. - A számítógépek és a modemek közötti kapcsolatot az RS-232 C (CCITT V. 24) soros digitális interfész szabvánnyal biztosítjuk, NRZ kódolással. Az RS-232 C negatív logikát használ, azaz a 0 pozitív feszültségű, az 1 negatív. A bináris 1-et -3V és - 25V közötti feszültség, a logikai 0-át pedig a +3V és a +25V közötti feszültség jelenti. A -3V és a +3V közötti feszültségtartomány tiltott. Két számítógép összekapcsolásakor általában +12V és -12V feszültséget alkalmaznak. A kapcsolatot 25 pólusú csatlakozóval hozzák létre, de gyakran 9 tűs érintkező is elegendő. A kábel maximálisan 15 méter hosszú lehet, amelyen 20 kb/s a legnagyobb átviteli sebesség. 4. ábra. RS-232 C feszültségek A szabvány a bináris 1-et MARK-nak, a bináris 0-át SPACE-nek nevezi. Ugyanezt az RS-232 C kódolást alkalmazzák gyakran a TV képernyők és a vezérlők között, többféle nyomtatóban, a vonalkód-leolvasó és a pénztárgép között stb. 3. NRZI (Non Return To Zero Inverting - Nullára vissza nem térő invertáló) Az NRZI kódolás szerint csak az egyik érték változása esetén történik váltás a kimeneten. Az NRZI eljárásnak két változata van, a mode 1 és a mode 0. (Élvezérelt logika, ha az információt a feszültségszintek változásának iránya hordozza: Pl. 0 1, vagy 1 0 átmenet. Ebben az esetben a logikai magas szint neve "Mark", míg a logikai nulla potenciál neve "Space".) 6 - Az NRZI-Mark (NRZI-Mode 1) nevéből következően akkor vált feszültséget, amennyiben 1-es érkezik. Nulla bit megjelenésekor nem változik a feszültség.

- Az NRZI-Space (NRZI-Mode 0) épp ellenkezőleg, akkor vált feszültséget, amikor 0 következik. 1-es érkezésekor a feszültség nem változik meg. Az NRZI kódolás az ábrán látható módon kevesebb jelváltással működik, mint az NRZ, kisebb a sávszélessége, éppen ezért sok helyen alkalmazzák. Hat egymást követő egyest azonban már nem engedélyeznek. Ennek elkerülésére találták ki a bitbeszúrás műveletét. Minden ötödik egyes után beszúrnak egy nullát az adási oldalon. A vételi oldalon minden ötödik egyes után érkező nullát kiveszik, így hat egymást követő 1-es nem fordulhat elő, ezzel elegendő gyakoriságú a bitváltozás, fenntartható a szinkronállapot. Alkalmazási területek: - A gyakorlatban például az USB csatlakozók adatvezetékein D+ (zöld) és D- (fehér) is NRZI-t alkalmaznak. A differenciális 1 továbbításához a D+ vonalat 2,8 V-nál magasabb szintre, a D- vonalat pedig 0,3 V alatti szintre állítják. A differenciális 0 továbbításánál pedig megfordítva, itt a D- vonal jelszintje nagyobb, mint 2,8 V a D+ vonalé pedig kisebb, mint 0,3V. (Az USB másik két vezetéke a piros a +5 V-os tápfeszültség, a fekete a föld.) 5. ábra. USB - A mágneses jelrögzítéshez is NRZI-Mark-ot használnak. Két egymással ellentétes irányú mágneses indukcióval (-B; +B), tárolják az adatokat. Minden egyes érkezésekor megváltozik a feszültség polaritása, ezzel együtt a mágnesezettség iránya is. (Ui = -N ΔΦ/Δt = -N ΔBA/Δt). (A mágnesszalagon a mágnesezettség iránya kétféle lehet: párhuzamos a szalaggal (longitudinal recording), vagy merőleges a szalagra (perpendicular recording), ez utóbbi a korszerűbb változat). 7

- A CD-k az adatokat a polikarbonát réteg tetején egy sor bemélyedés (pit) formájában tárolják, spirál alakban, mely a lemez közepén kezdődik, és a széle felé folytatódik. Minden pit 100 nm mély, és 500 nm széles, hosszúsága 850 nm-től 3,5 μm-ig terjedhet. Az adatok olvasása 780 nm-es hullámhosszúságú félvezető lézerrel történik. A fényerő fotodiódával történő mérésével digitális adat olvasható ki a lemezről. Amikor az olvasófej egy pit felett van, akkor csökkent fényintenzitást érzékel, mivel a fókuszált lézerfény pitről visszaverődő része gyengítő interferenciába lép a környező landról (sziget) visszaverődő fénnyel. Land fölött a fény nagymértékben visszaverődik. A pitek és szigetek önmagukban nem jelentenek 0-kat és 1-eket. A CD kódrendszerében a pit-land vagy land-pit átmenet (azaz a fényerősség hirtelen változása) jelenti az 1-et, az átmenet hiánya (amikor nem változik a visszavert fény mennyisége) pedig a 0-t. Ez NRZI kódolást jelent. - Az Ethernet kábelezés számítógép hálózatok kialakításakor használatos. Ennek a gyors fast Ethernetnek egyik formája az optikai szállal kialakított 100 Base FX, aminél szintén használják az NRZI kódolást, (ugyanitt 4B/5B kódolást is alkalmaznak). A hálózati sebesség: 100 Mb/s, a sávszélesség 62,5 MHz. 8

RZ KÓDOK 6. ábra. RZ típusú kódok 1. RZ (Return to zero Nullára visszatérő) kódolás A 6. ábrán RZ típusú kódolásokat láthatunk. Az RZ kód egyszerűen az NRZ jelet órajellel kapuzva előállítható. Az RZ jel kitöltési tényezője 50 %-os. 9

Az unipoláris U/RZ kódnál a 0 alacsony feszültségű. Az 1 a T periódusidő első felében magas, a második felében alacsony szintű. Az RZ előnyei az NRZ-hez képest: csupa egyes esetén is van jelváltás, ami segíti a szinkronizációt. Sok nulla érkezésekor nincsenek jelváltások, kieshet a szinkronból. Ilyenkor az adó minden öt egymást követő nulla után egy 1-es bitet szúr be, amit a vevő automatikusan eltávolít a bitfolyamból. A vevő tehát minden ötödik nulla után érkező egyest kiveszi a bitfolyamból. A beszúrás kicsit növeli az átvitt bitek számát, változtatja az átviteli sebességet. A gyakorlatban ez nem jelent problémát. Másik előny, hogy kisebb, éppen fele az egyenáramú összetevője. Ez csak látszólagos előny, mert semekkora egyenáramú komponenst sem vihetünk át a rézhálózaton. Éppen ezt a problémát oldja meg az RZ-ből egyszerűen előállítható AMI kód. 2. AMI kód (Alternate Mark Inversion - Váltakozó Egyes Invertálás). A nulla szint jelöli a 0-át, minden egymást követő egyes polaritást vált. A mínusz 1 előállítása egyszerű, mindössze egy A=-1-es invertáló erősítőt igényel. A polaritás váltogatását bipoláris szabálynak hívják. Amennyiben nem így jönnek az egyesek, akkor azt a bipoláris szabály megsértésének (BPV bipolar violation) nevezik. (A szakirodalomban V-vel, esetenként K-val jelölik a bitsértést). Minden más bipoláris szabálysértést külön számlálóban számolnak. Ebből következtetni lehet a vonali zajra, mert ha 0-t adtak, de 1 érkezett, esetlegesen rossz polaritással, akkor a bipoláris szabály megsérült. Az AMI legnagyobb előnye, hogy nullára szimmetrikus tápfeszültséget használ, így az egyenfeszültségű összetevője nulla. Az AMI létrehozásával háromszintű, ternáris kód keletkezett, a bitek értékei: 1, 0, +1. A +1 és a 1 felhasználásával több információt is átvihetnénk, de mindkét egyes értelme ugyanaz. Valójában csak két értéket viszünk át, a nullát és az egyest. Ezért az AMI kódot csak ál-háromszintű, kvázi-háromszintű, pszeudoternáris kódnak tekintjük. AMI kód RZ és NRZ formátumban egyaránt előállítható, az ITU az RZ változatot támogatja. Az AMI kód hátránya, hogy hosszú nulla sorozat esetén szinkronvesztés következhet be. A csak beszédjeleket tartalmazó időrések átvitelénél ez áthidalható, mert bitinverziót alkalmaznak, azaz minden második bitet invertálnak. A regenerátorok pedig legalább 15 egymást követő nulla esetén is szinkronban maradnak. Adatátvitelnél, vagy magas rendű multiplexelésnél nincs bitinverzió. Itt szinkronvesztés következne be, ha nem alkalmaznánk bitkeverést, vagy nullsorozat helyettesítéses kódolási formákat. Bitkeverés (Szkremblerezés) 10

A továbbítandó jelsorozathoz egy álvéletlen bitsorozatot adnak a kódolás előtt, amivel eltüntetik belőle a hosszú nullsorozatokat. Ezzel megakadályozzák a vevőben az órajel szinkron elvesztését. A vevőben ugyanezt az álvéletlen jelsorozatot kivonják az átvitt jelből, így visszakapják a kódolt biteket, amit dekódolva előállítható az eredeti információ. A szinkronszót bitkeverés nélkül továbbítják, tehát a vételi oldalon felhasználható a bitkeverő szinkronizálására. Nullsorozat helyettesítés Az egyik változat a BnZS (Bipolar with n Zeros) kódolás, ezt használják Amerikában. Itt minden n elemből álló nullsorozatot helyettesítenek egy táblázatban rögzített kódszóval, ami egyeseket is tartalmaz. Az európai változat a HDBn és a CHDBn (Compatible High Density Polar) kódok, ahol minden n+1-es nullsorozatot B-V kódszavakkal helyettesítenek. Az n nem lehet nagy, mert akkor megszűnik a szinkron. Kis n esetén nagy az energiatartalom. A jó kompromisszum az n=3. 3. A HDB3 kódolást (High density bipolar of order 3 - Nagy sűrűségű bipoláris 3-as kód) A HDB3 az AMI kódolás átalakítása azért, hogy fenntartható legyen a szinkronállapot. A HDB3 kódban 3 nullánál hosszabb nulla sorozatnál jelváltás következik, ami segíti a szinkonizációt. Ha 1-es után következik négy nulla, akkor a negyediket 1-re változtatjuk, ez a V bit (000V) Ha négy nulla után következik ismét négy nulla, akkor az első 0 és a negyedik 0 helyére is 1-et teszünk (B00V). B a bipoláris szabályt megtartó, V a bipoláris szabályt sértő impulzus jelölése. A B-V biteket úgy kell beilleszteni, hogy két egymás utáni V bit közötti B impulzusok száma páratlan legyen. Amennyiben páros számú a B-k száma, akkor be kell illeszteni egyet. Így biztosítható, hogy a V impulzusok polaritása szabályosan váltakozzék, ne keletkezzen egyenáramú összetevő a bitsértésből, ezt nevezik kettős bipoláris szabálynak. Az alábbi táblázatból látható, hogy milyen polaritású legyen a beillesztett 1-es bit. Két V közötti B bitek száma Minta Az utolsó B polaritása B kód V páratlan 000V + 000 +1-000 -1 páros B00V + -1 00-1 - +1 00 +1 11

A bitsértés a vételi oldalon helyreállítható. Amikor a vevő egy B bitet vesz, akkor egyesnek értékeli. Amikor azonban a V bitet is veszi, ami egyforma polaritású egyes a B-vel, akkor a B és V azonos polaritása miatt átírja azokat nullára. Megmarad a szinkronállapot és helyreállítódik a bitsértés. A V impulzusok szabályos váltakozásának figyelésével a bithiba aránya is ellenőrizhető. Alkalmazási területek: A HDB3 az ITU ajánlásai szerinti vonali kódja az európai primer, szekunder és tercier PCM rendszereknek. ÁTMENET-KÓDOLÁS Az átmenet-kódolásra jellemző, hogy a T periódusidő közepén átmenet, azaz 0-1, vagy 1-0 váltás következik be. 7. ábra. Átmenet-kódolások Az egyszerűség kedvéért a 7. ábra valamennyi rajza unipoláris, (ami a tengely középre tolásával polárissá tehető). 12

1. CMI kód (Coded Mark Inversion Egyest váltakoztató kód) A CMI működése a T bitidő két egyenlő részre bontásán alapul. A nullának 01-es kód felel meg. Az egyesnek felváltva 00, majd 11a kódja. A biten belül, a bitidő felénél feszültségváltozás következik be, ezt nevezik átmenet-kódolásnak. A gyakori átmenetek segítik a szinkonizációt, ez előny. Eredeti kód CMI kód 0 01 1 00, majd 11 felváltva Hátránya, hogy a CMI felső határfrekvenciája és bitsebessége a kétszeresére nőtt, mert gyakoribb lett a feszültségváltozás. Optikai hálózaton ebben az U/NRZ formátumban továbbítható a jel. Rézhálózatra így nem küldhető, mert egyenáramú összetevőt tartalmaz. A megoldás szerint a vonalra 0 és + U helyett: +U és U értékeket juttatunk. Koax hálózatokon ±0,5 V feszültséget alkalmaznak. Ennek a változatnak nincs egyenáramú összetevője. Alkalmazási területek: CMI kódot alkalmaznak a magasabb rendű 140 Mbit/s-os, kvarter PCM rendszereknél, és 155 Mbit/s (SDH) elektromos interfészen (rézvezetőjű hálózatokon). 2. Manchester kódolás A Manchester kódot szokás bifázisú, vagy Wall kódnak is nevezni. A CMI-hez hasonlóan itt is minden bitet két hozzárendelt bittel írunk le. Eredeti kód Manchester kód 0 01 1 10 Nem jelszintek, hanem a jelváltások iránya határozza meg a bitek értékét. Nullából egybe váltás a 0, egyből nullába váltás az 1-es bit. Az egymást követő azonos értékű bitek esetén a jel a bitidő felénél visszatér az előző szintre, RZ típusú a kódolás. A Manchester-kódolás hátránya, hogy a jelzési sebesség a duplája a bitsebességnek, másképpen a bináris kódoláshoz szükséges sávszélesség kétszeresét igényli, mivel kétszer annyi a jelváltás. Az előnye pedig az, hogy a vevő könnyen el tudja dönteni, hogy mikor kezdődik egy bit, sőt mikor tart a bit a felénél. Egyenáramú összetevő azért nem keletkezik, mert az ábrán látható unipoláris változat helyett a vonalra poláris kódot küldenek. A magas szintnek + V, az alacsony szintnek -V felel meg, (gyakran +0,85 és 0,85 voltot állítanak be). Alkalmazási területek: 13

A Manchester kódolást a 10 Mb/s Ethernet hálózatban használják: 10Base-2, 10 Base-5, 10Base-T. 3. Differenciális Manchester kódolás A differenciális Manchester kód előnye, a Manchesterhez képest, hogy jobb a jel/zaj viszonya. Hátránya, hogy bonyolultabb eszközökkel lehet működtetni. A működést mutató ábra megértését segíti az alábbi táblázat. A 0 érték 10-val írható le, a Manchester ellentéteként. Az 1 felváltva veszi fel az 10, majd a következő 1 pedig a 01 értéket. Eredeti kód Differenciális Manchester kód 0 10 1 10, majd 01 felváltva Alkalmazási területek: ezt a kódolást is az Ethernet hálózatban alkalmazzák. BLOKK KÓDOLÓK A bináris sorozatot N számú bitet tartalmazó csoportokra bontjuk, és minden csoporthoz egy M számú impulzusból álló kódot rendelünk. Pl.: 1B1T AMI kód. 2B2T kódot régebben használták. 1. 2B1Q A 2B1Q kódolás során 2 bitnek 2 2 = 4 állapotát egy darab négyszintű (kvaternáris) kóddá alakítjuk. A kódolás kialakítása: Az adat első bitje A kód egysége Az adat második bitje A kód egysége 0 negatív 0 három 1 pozitív 1 egy (Megjegyezhető, hogy 11 adat esetén +1 egység, 00 adatnak -3 egység lesz a kódja). Több lehetséges feszültségű kódolási táblázat létezik: adat kód feszültség feszültség feszültség 00-3 egység - 450 mv -1V - 2,5 V 01-1 egység - 150 mv -0,33 V - 0,8 V 10 +3 egység + 450 mv +1V + 2,5 V 14

11 +1 egység + 150 mv +0,33 V + 0,8 V Ezzel a kódolással jelentős sávszélesség-megtakarítás érhető el, (pl. a sávszélesség fele az NRZ jelének). Az információ átviteli sebessége a duplájára nőtt, ez azért fontos, mert az alkalmazásnál kevés idő áll rendelkezésre az adatok átvitelére. Alkalmazási terület: - ISDN 2 (U interfész). Itt a 2B1D csatorna 2x 64 + 1x 16 kb/s, összesen 144 kb/s sebességet igényel, amit az elért 160 kbit/s -> 80 kbaud biztosít. - Létezik egy nagy sebességű BK-45 nevű kód. Ennek használatánál az adatfolyam először egy 2B1Q redundanciamentes előkódolóra jut, amelyet tovább kódolnak kvináris jellé. 2. 4B3T kód 8. ábra. blokk kódok A jelsorozatban minden 4 bites csoporthoz egy 3 impulzusos ternáris kódszót rendelünk. 15

9. ábra. 4B3T kódok Megtehető, mert a 4 bit 16 kombinációja (2 4 = 16) kevesebb lehetőség, mint a 3 impulzusos ternáris kódszó 3 3 = 27 változata. Többféle kódtáblázat létezik (pl. MS 43), de mindegyikre igaz, hogy 000 sorozatú kód nem megengedett. A szinkron fenntartható, mert legfeljebb 4 nulla bit és maximum 5 azonos polaritású impulzus fordulhat elő a kódolt jelsorozatban. A 9. ábrán látható, hogy a zöld kódok egyenáramú összetevője nulla. A kékeké egy, a sárgáké kettő. Az egyes és kettes csoportú kódok egymás inverzei. Így azonos bitcsoporthoz felváltva rendelik az egyes és kettes kódtáblázat értékeit, ezért nem lesz egyenáram (DC) a kódolt jelben. A 4B3T jel információátviteli sebessége 1,33 szorosa a bitsebességnek, mert a bitidő 4/3 része egy ternáris impulzus hossza. A 8. ábrán látható jelsorozat az 1-es kód szerinti. Alkalmazási terület: Ezt a kódolást az ISDN 30-as rendszereknél használják. 3. 4B5B kódok A 4B5B kódolás során minden 4 bináris elemhez 5 elemből álló bináris blokkot rendelünk. A bemeneti adatoknak 2 4 =16 különböző mintája, az 5 bites kódnak 2 5 = 32 darab különböző értéke van. A redundancia lehetővé teszi, hogy csak olyan 5 bites mintákat használjunk, amikben van legalább két 1-es és legfeljebb két 0 bit van egymás mellett. Amennyiben az adatsor hosszú nulla sorozatot tartalmaz, a kódban a harmadik nulla egyesre vált. Az egyesek miatti jelváltások lehetővé teszik a szinkonizációt, megbízható adatátvitelt garantálnak. A kódolt jelnek nincs egyenáramú összetevője. Az adat kódolásra nem használt 16 darab ötbites szimbóluma közül 2-2 a keret elejét és végét határolja. Hátránya, hogy a sávszélessége és az információ átviteli sebessége 1,25 szeresére (5/4) nőtt. 100 MHz-es órajel nem lenne elég ahhoz, hogy elérjük a 100 Mb/s sebességet, ehhez 125 MHz órajel szükséges. 16

Több kódolás létezik, egy lehetséges kódolási táblázat: 4 bit 5 bit 4 bit 5 bit 0000 11110 1000 11100 0001 01001 1001 10100 0010 10100 1010 01010 Alkalmazási terület: 100 Mb/s Ethernet (100BASE-TX) 0011 01010 1011 01110 0100 01110 1100 10010 0101 10010 1101 10110 0110 10110 1110 11010 0111 11010 1111 11100 - Categória 5-6-7 árnyékolatlan (UTP) kábel, - Categória 5-6-7 árnyékolt (STP) kábel, - Optikai szál, ahol NRZI jelformát alkalmaznak. ATM hálózat (25.6 Mb/s) 4. 5B6B Az 5B6B kódolás során 5 bites csoportokat (kvintett) helyettesítenek 6 bites (szextett) kóddal. Az ötbites csoportnak 2 5 = 32, a hatbites kódnak 2 6 = 64 kombináció felel meg. A kétszeres lehetőség, megengedi, hogy csak olyan 6 bites kódot válasszunk, amiben 3 nulla és három egyes van. A hosszú nulla sorozatokat átkódoltuk a 3 egyessel, ezzel biztosítható a szinkronállapot. Az 5B6B kódolás hibaellenőrzést is végez, hiszen a több mint három 0 vagy 1-es egy kódban - érvénytelen szimbólumot jelent. A hibaellenőrzéshez a hsznált paritásbit alkalmazása is hozzájárulhat. Hátránya, hogy az információ átviteli sebessége 20 %-kal megnőtt. Alkalmazási terület: Az alkalmazást optikai rendszerek számára fejlesztette ki az ERICSSON cég. Ez a kódolás veszi át a 34 Mb/s tercier PCM rendszer HDB3-as kódolásának és a 140 Mb/s sebességű kvarter PCM CMI kódjának helyét az Ericsson optikai rendszerekben. 5. 8B6T A 8B6Tkódolás szerint a 8 bites adatnak 6 ternáris kód felel meg. 17

3 6 = 729 minta jut a 2 8 = 256 adatra. Az adatátviteli sebesség a ¾-re csökkent. A + és a feszültségek száma egyforma minden kódban, így egyenfeszültség nem keletkezik. Például egy nyolc nullás minta (0000 0000) kódja: + 0 0 +. Alkalmazási terület: 100 Mb/s Ethernet (100BaseT4) használja ezt a kódolást. 6. 8B10B A Gb/s sebességű átviteli rendszereknél 8B10B kódolást alkalmazunk. Hátránya, hogy az 1Gb/s sebesség megnő 10/8 =1.25 Gb/s-re. A B/B kódokat leginkább az optikai hálózatokban használják. Az impulzusátvitelt a fényforrás ki és bekapcsolása biztosítja. Az egyenáramú összetevőt megszüntető polaritás váltásoknak nincs jelentősége. Ezért használatos az U/NRZ és az NRZI típusú vonali kódolás optikai rendszerekben. ÖSSZEFOGLALÁS A kódok megválasztásánál látható, hogy nincs egyetlen, minden szempontból optimális kód. Ezért nem létezik egységes, minden berendezésben egyaránt alkalmazható vonali kód sem. Napjainkban is folyamatosan fejlesztik az új kódolási eljárásokat. Miért szükségesek a vonali kódok? Ennek megértéséhez elegendő a PCM ismerete. Az analóg-digitális átalakítás során mintavételezés, kvantálás, kettes számrendszerbeli kódolás következett be, aminek eredménye egy U/NRZ impulzussorozat. Ennek van egyenáramú összetevője, amit a központok közötti szakaszon a vonali transzformátorok nem engednek át. Megoldás: át kell alakítani a jelsorozatot, azaz vonali kódolást kell alkalmazni! Nézzünk egy másik gyakorlati problémát! Miért szükséges a hosszú nulla sorozat átalakítása? Hosszú nulla sorozatok esetén a vevő nem tudná pontosan megszámolni az impulzusokat, kicsit tévedne. Ennek következményeként a minták elejét nem lehetne megállapítani. A különböző időrések mintái összekeverednének. Kiesne a szinkronból. A vonali kódok átalakítják a hosszú nulla sorozatokat, egyesek beiktatásával, 0-1 váltással. Tekintsük át a digitális jelek sebességét! Mit értünk a digitális jelek sebességén? 18

Bitsebesség: az időegység alatt továbbított információ mennyisége (bit/s). Jelzési sebesség: az időegységenként továbbított vonali szimbólumok száma (Baud). A Manchester kódolásnál a jelzési sebesség kétszerese a bitsebességnek. A 2B1Q kódolásnál a jelzési sebesség fele a bitsebességnek. A kódolás során változhat a bitsebesség. Milyen kódokat alkalmaznak leggyakrabban optikai és rézhálózatokon? Optikai hálózatokon bináris és unipoláris kódokat alkalmaznak leggyakrabban. Rézvezetőjű hálózatokban ternáris és bipoláris kódokat alkalmaznak általában. Vizsgáljuk meg a sávszélességet! Kicsi, vagy nagy sávszélességet szeretnénk? Minél gyakoribb a jelváltás, annál nagyobb a kód sávszélesség igénye. Ez hátrány, mert egy adott sávba kevesebb kód fér. Például a 4B5B kódolás során negyedével megnőtt a sávszélesség. Cserébe viszont a redundancia is megnőtt, amivel elérhetővé vált, hogy ne legyen egyenáramú komponens. Ha bináris minta helyett ternáris, vagy kvaternáris kódot alkalmazunk, akkor csökken a sávszélesség. Például 4B3T kódolásnál 25 %-kal csökkent a sávszélesség. Szabványosak-e az azonos célra használt kódok? Nem azonosak, például az optikán alkalmazott 140 Mb/s kvarter PCM jelek átvitelét különböző vonali kódolással továbbítják a nagy cégek: SIEMENS: U/NRZ formátumú CMI kóddal, ERICSSON: 5B6B kóddal, ITALTEL: Szkremblerezett NRZ kóddal. Hogyan lehet kinyerni az órajelet túl sok egyforma jel egymás utáni átvitelénél? Időnként jelszint váltásra van szükség, ami többféleképpen is elérhető: - az alternáló kódokkal (pl. HDB-3, CMI), -bitbeiktatással: a HDB-3-nál, vagy a paritásbit beiktatásával, az 5B6B kódnál, 19

-szkremblerezéssel, melynek segítségével olyan jelfolyamot adnak a jelhez, mely biztosítja megfelelő időnkénti jelváltást. TANULÁSIRÁNYÍTÓ A készségek és kompetenciák fejlesztése párhuzamosan történik az ismeretanyag feldolgozásával. Ebben segít a fejezet leglényegesebb elemeit érintő feladatok megoldása. 1. feladat Keressen olyan vonali kódot az interneten, ami nem szerepelt az eddigi ismertetésben! 2. feladat Rajzolja le egy kitalált bitsorozathoz tartozóan a kódot! 3. feladat A megtalált kód működését írja le néhány mondatban, minél egyszerűbben! 4. feladat Milyen kódolási csoportba illeszthető ez a kód? 5. feladat Milyen területen alkalmazható ez a kód? 20

ÖNELLENŐRZŐ FELADATOK 1. Feladat Rajzolja le az alábbi bitsorozathoz tartozó P/NRZ kódot! 1 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 2. Feladat Rajzolja le az alábbi bitsorozathoz tartozó P/RZ kódot! 1 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 3. Feladat Rajzolja le az alábbi bitsorozathoz tartozó AMI kód NRZ változatát! 21

1 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 4. Feladat Rajzolja le az alábbi bitsorozathoz tartozó HDB3 kód NRZ változatát, és jelölje a B-V bitsértéseket! 1 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 5. Feladat Rajzolja le az alábbi bitsorozathoz tartozó CMI kódot polárisan! 1 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 6. Feladat Rajzolja le az alábbi bitsorozathoz tartozó Manchester kódot polárisan! 22

1 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 7. Feladat Rajzolja le az alábbi bitsorozathoz tartozó Differenciális Manchester kódot polárisan! 1 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 8. Feladat Rajzolja le egy ábrába az alábbi bitsorozathoz tartozó P/NRZ, P/RZ, AMI, HDB3, P/CMI, P/Manchester, P/Differenciális Manchester kódokat! 23

1 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 9. feladat Rajzolja egy ábrába egymás alá az AMI/RZ és HDB3/RZ kódokat! 24

1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 25

MEGOLDÁSOK 1. Feladat 2. Feladat 3. Feladat 10. ábra. 11. ábra. 12. ábra. 26

4. Feladat 5. Feladat 6. Feladat 13. ábra. 14. ábra. 15. ábra. 27

7. Feladat 16. ábra. 28

8. Feladat 17. ábra. 29

9. Feladat 18. ábra. 30

IRODALOMJEGYZÉK FELHASZNÁLT IRODALOM Andrew S. Tanenbaum: Számítógép-hálózatok (PANEM kiadó 2004.) Cebe László: PCM hírközlés II. Lajkó Sándor, Dr. Lajtha György: PCM a távközlésben (Műszaki Könyvkiadó 1978) Vigh Sándor: Digitális átviteltechnika (Puskás Tivadar Távközlési Technikum 2000.) Internet AJÁNLOTT IRODALOM Interneten követhető a folyamatosan fejlődő, változó vonali kódok kialakítása. 31

A(z) 0908-06 modul 015-ös szakmai tankönyvi tartalomeleme felhasználható az alábbi szakképesítésekhez: A szakképesítés OKJ azonosító száma: A szakképesítés megnevezése 33 523 03 1000 00 00 Távközlési műszerész 33 523 03 0100 31 01 Antenna szerelő 54 523 03 0010 54 01 Beszédátviteli rendszertechnikus Elektronikus hozzáférési és magánhálózati 54 523 03 0010 54 02 rendszertechnikus Elektronikus műsorközlő és tartalomátviteli 54 523 03 0010 54 03 rendszertechnikus 54 523 03 0010 54 04 Gerinchálózati rendszertechnikus 54 523 03 0100 31 01 Távközlési üzemeltető A szakmai tankönyvi tartalomelem feldolgozásához ajánlott óraszám: 20 óra

A kiadvány az Új Magyarország Fejlesztési Terv TÁMOP 2.2.1 08/1-2008-0002 A képzés minőségének és tartalmának fejlesztése keretében készült. A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg. Kiadja a Nemzeti Szakképzési és Felnőttképzési Intézet 1085 Budapest, Baross u. 52. Telefon: (1) 210-1065, Fax: (1) 210-1063 Felelős kiadó: Nagy László főigazgató