光纖課件chap4-3

1、4.3 線路編碼線路編碼在光纖通信系統(tǒng)中，從電端機(jī)輸出的是適合于電纜傳輸?shù)碾p極性碼。光源不可能發(fā)射負(fù)光脈沖，因此必須進(jìn)行碼型變換，以適合于數(shù)字光纖通信系統(tǒng)傳輸?shù)囊?。?shù)字光纖通信系統(tǒng)普遍采用二進(jìn)制二電平碼，即“有光脈沖”表示“”碼， “無(wú)光脈沖”表示“0”碼。線路編碼是指使用一套規(guī)則把信號(hào)符號(hào)編排為一個(gè)特殊的格式。其主要功能是在數(shù)據(jù)流中引入冗余碼，從而使信道干擾引起的誤碼最小。簡(jiǎn)單的二電平碼會(huì)帶來(lái)如下問(wèn)題：簡(jiǎn)單的二電平碼會(huì)帶來(lái)如下問(wèn)題： 在碼流中，出現(xiàn)“”碼和“0”碼的個(gè)數(shù)是隨機(jī)變化的， 因而直流分量也會(huì)發(fā)生隨機(jī)波動(dòng)隨機(jī)波動(dòng)(基線漂移基線漂移)， 給光接收機(jī)的判決帶來(lái)困難。 在隨機(jī)碼流中，容易

2、出現(xiàn)長(zhǎng)串連“”碼或長(zhǎng)串連“0”碼，這樣可能造成位同步信息丟失，給定時(shí)提取造成困難或產(chǎn)生較大的定時(shí)誤差。不能實(shí)現(xiàn)在線(不中斷業(yè)務(wù))的誤碼檢測(cè)， 不利于長(zhǎng)途通信系統(tǒng)的維護(hù)。長(zhǎng)連1碼引起的接收機(jī)基線漂移（由于接收機(jī)低頻效應(yīng)引起輸出脈沖的拖尾所致）有可能產(chǎn)生誤碼。光脈沖只能采取單極性，因此光脈沖包含直流分量交流耦合網(wǎng)絡(luò)不能通過(guò)碼流包含的直流分量，矩形脈沖經(jīng)過(guò)交流耦合網(wǎng)絡(luò)時(shí)出現(xiàn)反極性拖尾脈沖序列的拖尾相互交疊造成基線漂移對(duì)于給定的判決閾值，漂移將影響判決數(shù)字光纖通信系統(tǒng)對(duì)線路碼型的主要要求是保數(shù)字光纖通信系統(tǒng)對(duì)線路碼型的主要要求是保證傳輸?shù)耐该餍?，具體要求有：證傳輸?shù)耐该餍?，具體要求有： (1) 能限制

3、信號(hào)帶寬，減小功率譜中的高低頻分量。這樣就可以減小基線漂移、提高輸出功率的穩(wěn)定性和減小碼間干擾， 有利于提高光接收機(jī)的靈敏度。 (2) 能給光接收機(jī)提供足夠的定時(shí)信息。因而應(yīng)盡可能減少連“”碼和連“0”碼的數(shù)目，使“1”碼和“0”碼的分布均勻， 保證定時(shí)信息豐富(3) 能提供一定的冗余碼，用于平衡碼流、誤碼監(jiān)測(cè)和公務(wù)通信。但對(duì)高速光纖通信系統(tǒng)，應(yīng)適當(dāng)減少冗余碼，以免占用過(guò)大的帶寬。 例如： 擾碼前： 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 擾碼后： 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 0 1 1 4.3.1 擾碼擾碼為了保證傳輸?shù)耐该餍?，在系統(tǒng)光發(fā)射機(jī)的調(diào)制器前， 需要附加一個(gè)

4、擾碼器擾碼器，將原始將原始的二進(jìn)制碼序列加以變換，使其接近于隨的二進(jìn)制碼序列加以變換，使其接近于隨機(jī)序列。機(jī)序列。相應(yīng)地，在光接收機(jī)的判決器之后，附加一個(gè)解擾器，以恢復(fù)原始序列。擾碼與解擾可擾碼與解擾可由反饋移位寄存器和對(duì)應(yīng)的前饋移位寄存由反饋移位寄存器和對(duì)應(yīng)的前饋移位寄存器實(shí)現(xiàn)。器實(shí)現(xiàn)。擾碼改變了“”碼與“0”碼的分布， 從而改善了碼流的一些特性。擾碼擾碼有下列缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 不能完全控制長(zhǎng)串連“”和長(zhǎng)串連“0”序列的出現(xiàn) 沒(méi)有引入冗余， 不能進(jìn)行在線誤碼監(jiān)測(cè)； 信號(hào)頻譜中接近于直流的分量較大， 不能解決基線漂移。 因?yàn)閿_碼不能完全滿足光纖通信對(duì)線路碼型的要求， 所以許多光纖通信設(shè)備除采用擾碼

5、外還采用其它類型的線路編碼。4.3.2 mBnB碼碼mBnB碼碼是把輸入的二進(jìn)制原始碼流進(jìn)行分組，每組有m個(gè)二進(jìn)制碼，記為mB，稱為一個(gè)碼字碼字，然后把一個(gè)碼字變換為n個(gè)二進(jìn)制碼，記為nB，并在同一個(gè)時(shí)隙內(nèi)輸出。這種碼型是把mB變換為nB，所以稱為mBnB碼，其中其中m和和n都是正整數(shù)，都是正整數(shù)， nm，一般選取，一般選取n=m+1。mBnB碼有1B2B、3B4B、5B6B、 8B9B、 17B18B等等。特點(diǎn)：將m位二進(jìn)制比特編成n (nm)位碼并在相同的時(shí)間長(zhǎng)度 內(nèi)發(fā)送出去，即在數(shù)據(jù)流中引入冗余優(yōu)點(diǎn)：基本能避免長(zhǎng)連0和長(zhǎng)連1的出現(xiàn) 冗余的引入可以增強(qiáng)糾錯(cuò)能力缺點(diǎn)：帶寬比原來(lái)增大了n/m倍

6、1. mBnB碼編碼原理碼編碼原理最簡(jiǎn)單的mBnB碼是1B2B碼，即曼徹斯曼徹斯特碼特碼，這就是把原碼的把原碼的“”變換為變換為“01”， 把把“1”變換為變換為“10”。因此最大的連“”和連“”的數(shù)目不會(huì)超過(guò)兩個(gè)，例如1001和0110。但是在相同時(shí)隙內(nèi)，傳輸1比特變?yōu)閭鬏?比特， 碼速提高了1倍。 以3B4B碼為例，輸入的原始碼流3B碼，共有(23)8個(gè)碼字， 變換為4B碼時(shí)， 共有(24)16個(gè)碼字，見(jiàn)表4.2。為保證信息的完整傳輸，必須從4B碼的16個(gè)碼字中挑選8個(gè)碼字來(lái)代替3B碼。 設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)最佳線路碼特性的原則來(lái)選擇碼表。例如：在3B碼中有2個(gè)“0”，變?yōu)?B碼時(shí)補(bǔ)1個(gè)“”；在3

7、B碼中有2個(gè)“1”， 變?yōu)?B碼時(shí)補(bǔ)1個(gè)“0”。而000用0001和1110交替使用； 111用0111和1000交替使用。同時(shí)，規(guī)定一些禁止使用的碼字， 稱為禁字禁字，例如0000和1111。 0111 1111111 0110 1110110 0101 1101101 0100 1100100 0011 1011011 0010 1010010 0001 1001001 0000 10000004B3B 表表 4.2 3B和和4B的碼字的碼字 作為普遍規(guī)則，引入“碼字?jǐn)?shù)字和碼字?jǐn)?shù)字和”(WDS)來(lái)描述碼字的均勻性，并以WDS的最佳選擇來(lái)保證線路碼的傳輸特性。所謂“碼字?jǐn)?shù)字和碼字?jǐn)?shù)字和”，是

8、在nB碼的碼字中，用“-1”代表“0”碼， 用“+1”代表“”碼，整個(gè)碼字的代數(shù)和即為WDS。如果整個(gè)碼字“”碼的數(shù)目多于“0”碼，則WDS為正；如果“0”碼的數(shù)目多于“1”碼， 則WDS為負(fù)；如果“0”碼和“1”碼的數(shù)目相等，則WDS為0。例如：對(duì)于0111，WDS=+2；對(duì)于0001， WDS=-2；對(duì)于0011，WDS=0。nB碼碼的選擇原則是：選擇原則是：盡可能選擇|WDS|最小的碼字， 禁止使用|WDS|最大的碼字。以3B4B為例，應(yīng)選擇WDS=0和WDS=2的碼字， 禁止使用WDS=4的碼字。表4.3 示出根據(jù)這個(gè)規(guī)則編制的一種3B4B碼表，表中正組和負(fù)組交替使用。線路碼（4B）信

9、號(hào)碼（3B）模式2（負(fù)組）模式1（正組）WDS碼子WDS碼子-20010+211011117-21000+20111110601010010101015010010100110040011000110011300101001010102-20001+211100011-20100+210110000 表表 4.3 一種一種3B4B碼表碼表 我國(guó)3次群和4次群光纖通信系統(tǒng)最常用的線路碼型是5B6B碼碼，其編碼規(guī)則如下：編碼規(guī)則如下： 5B碼共有(25)32個(gè)碼字，變換6B碼時(shí)共有(26)64個(gè)碼字，其中WDS=0有20個(gè)，WDS=2有15個(gè)，WDS=-2有15個(gè)，共有50個(gè)|WDS|最小的碼字可

10、供選擇。由于變換為6B碼時(shí)只需32個(gè)碼字，為減少連“”和連“0”的數(shù)目， 刪去： 000011、 110000、 001111和111100。當(dāng)然禁用WDS=4和6的碼字。 表4.4示出根據(jù)這個(gè)規(guī)則編制的一種5B6B碼表，正組和負(fù)組交替使用。 表中正組選用20個(gè)WDS=0和12個(gè)WDS=+2，負(fù)組選用20個(gè)WDS=0和12個(gè)WDS=-2。線路碼（6B）信號(hào)碼（5B）模式2（負(fù)組）模式1（正組）WDS碼子WDS碼子-2000101+21110101111131-2001001+21101101111030-2010001+2101101110129011100001110001110028-20

11、00110+21110011101127011010001101001101026011001001100101100125續(xù)表續(xù)表 mBnB碼是一種分組碼，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)傳輸特性的要求確定某種碼表。mBnB碼碼的特點(diǎn)是：特點(diǎn)是： (1) 碼流中“0”和“1”碼的概率相等， 連“0”和連“1”的數(shù)目較少，定時(shí)信息豐富。(2) 高低頻分量較小，信號(hào)頻譜特性較好，基線漂移小(3) 在碼流中引入一定的冗余碼， 便于在線誤碼檢測(cè)。 mBnB碼碼的缺點(diǎn)是缺點(diǎn)是傳輸輔助信號(hào)比較困難。因此，在要求傳輸輔助信號(hào)或有一定數(shù)量的區(qū)間通信的設(shè)備中，不宜用這種碼型。 2. 編譯碼器編譯碼器有兩種編譯碼電路：一種是一種

12、是 組合邏輯電路組合邏輯電路，就是把整個(gè)編譯碼器都集成在一小塊芯片上，組成一個(gè)大規(guī)模專用集成塊， 國(guó)外設(shè)備大多采用這種方法。 一種是一種是把設(shè)計(jì)好的碼表全部存儲(chǔ)到一塊只讀存儲(chǔ)器(PROM)內(nèi)而構(gòu)成，國(guó)內(nèi)設(shè)備一般采用這種方法以3B4B碼為例，碼表存儲(chǔ)編碼器的工作原理示于圖4.22。 首先把設(shè)計(jì)好的碼表存入PROM內(nèi)，待變換的信號(hào)碼流通過(guò)串 - 并變換電路變?yōu)?比特一組的碼b1、b2、b3，并行輸出作為PROM的地址碼，在地址碼作用下，PROM根據(jù)存儲(chǔ)的碼表， 輸出與地址對(duì)應(yīng)的并行4B碼，再經(jīng)過(guò)并 - 串變換電路，讀出已變換的4B碼流。圖 4.22 碼表存儲(chǔ)編碼器原理 并串PROMB1B2B3B4

13、b1b2b3串并組別變換ABC變前時(shí)鐘已變換的輸出4B碼流變換時(shí)鐘待變換輸入信號(hào)碼流圖中A、B、C三條線為組別控制控制線，當(dāng)WDS=2時(shí)， 從A、B分別送出控制信號(hào)， 通過(guò)C線決定組別。譯碼器與編碼器基本相同，只是除去組譯碼器與編碼器基本相同，只是除去組別控制部分。別控制部分。 譯碼時(shí)，把送來(lái)的已變換的4B信號(hào)碼流，每4比特并聯(lián)為一組， 作為PROM的地址，然后讀出3B碼，再經(jīng)過(guò)并 - 串變換還原為原來(lái)的信號(hào)碼流。 其他的mBnB碼編譯碼電路原理相同，只是電路復(fù)雜程度有所區(qū)別而已。4.3.3 插入碼插入碼插入碼插入碼是把輸入二進(jìn)制原始碼流分成每m比特(mB)-一組，然后在每組mB碼末尾按一定規(guī)

14、律插入一個(gè)碼，組成m+1個(gè)碼為一組的線路碼流。 根據(jù)插入碼的規(guī)律，可以分為mB1C碼、mB1H碼和mB1P碼。C碼的作用是引入冗余碼冗余碼，可以進(jìn)行在線誤碼率監(jiān)測(cè)在線誤碼率監(jiān)測(cè)； 同時(shí)改善了“0”碼和“1”碼的分布，有利于定時(shí)提取。1. 插入碼的編碼原理插入碼的編碼原理mB1C碼碼的編碼原理是編碼原理是，把原始碼流分成每m比特(mB)一組， 然后在每組mB碼的末尾插入1比特補(bǔ)碼，這個(gè)補(bǔ)碼補(bǔ)碼稱為C碼碼， 所以稱為mB1C碼碼。補(bǔ)碼插在mB碼的末尾，連“0”碼和連“1”碼的數(shù)目最少。mB1C碼的結(jié)構(gòu)如圖4.23所示，例如： mB碼為： 100 110 001 101mB1C碼為： 1001 11

15、01 0010 1010 圖 4.23 mB1C碼的結(jié)構(gòu)mBCmBCmBCCmB1H碼是mB1C碼演變而成的，即在mB1C碼中，扣除部分C碼，并在相應(yīng)的碼位上插入一個(gè)混合碼混合碼(H碼碼)，所以稱為mB1H碼碼。所插入的所插入的H碼可以根據(jù)不同用碼可以根據(jù)不同用途分為三類：途分為三類：第一類是C碼，它是第m位碼的補(bǔ)碼，用于在線誤碼率監(jiān)測(cè)；第二類是L碼，用于區(qū)間通信；第三類是G碼，用于幀同步、公務(wù)、數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)等信息的傳輸。 常用的插入碼是mB1H碼，有1B1H碼、4B1H碼和8B1H碼。以4B1H碼碼為例，它的優(yōu)點(diǎn)是優(yōu)點(diǎn)是碼速提高不大，誤碼增值?。?可以實(shí)現(xiàn)在線誤碼檢測(cè)、區(qū)間通信和輔助信息傳輸。

16、缺點(diǎn)是缺點(diǎn)是碼流的頻譜特性不如mBnB碼。但在擾碼后再進(jìn)行4B1H變換， 可以滿足通信系統(tǒng)的要求。 在mB1P碼中，P碼稱為奇偶校驗(yàn)碼奇偶校驗(yàn)碼， 其作用和C碼相似， 但P碼有以下兩種情況： (1) P碼為奇校驗(yàn)碼時(shí)碼為奇校驗(yàn)碼時(shí)， 其插入規(guī)律是使m+1個(gè)碼內(nèi)“1”碼的個(gè)數(shù)為奇數(shù)， 例如： mB碼為： 100 000 001 110mB1P碼為： 1000 0001 0010 1101當(dāng)檢測(cè)得m+1個(gè)碼內(nèi)“”碼為奇數(shù)時(shí)，則認(rèn)為無(wú)誤碼。(2) P碼為偶校驗(yàn)碼時(shí)碼為偶校驗(yàn)碼時(shí)，其插入規(guī)律是使m+1個(gè)碼內(nèi)“”碼的個(gè)數(shù)為偶數(shù)，例如： m B碼為： 100 000 001 110mB1P碼為： 1001

17、 0000 0011 1100當(dāng)檢測(cè)得m+1個(gè)碼內(nèi)“”碼為偶數(shù)時(shí)， 則認(rèn)為無(wú)誤碼。2. 編譯碼器編譯碼器和mBnB碼不同，mB1H碼沒(méi)有一一對(duì)應(yīng)的碼結(jié)構(gòu)，所以mB1H碼的變換不能采用碼表法，一般都采用緩存插入法緩存插入法來(lái)實(shí)現(xiàn)。 圖4.24示出4B1H編碼器原理編碼器原理，它由緩存器、寫入時(shí)序電路、插入邏輯和讀出時(shí)序電路四部分組成。4B1H碼是每4個(gè)信號(hào)碼插入一個(gè)H碼， 因此變換后碼速增加1/4。設(shè)信號(hào)碼的碼速為34 368 kb/s， 經(jīng)4B1H變換后， 線路碼的碼速為(5/4)34 368 kb/s=42 960 kb/s。34 368 kb/s的NRZ信號(hào)碼送入緩存器。 圖 4.24 4

18、B1H編碼器原理 D4D3D2D1D0B1B2B3B4H插入邏輯緩存器34368 kb/sNRZA B C寫入時(shí)序(四分頻)讀出時(shí)序(五分頻)42960 kb/sNRZ42960 kHzCP34368 kHzCP 緩存器緩存器是4D觸發(fā)器， 它利用鎖相環(huán)中的4分頻信號(hào)作為寫入時(shí)序脈沖，隨機(jī)但有順序地把34 368 kb/s信號(hào)碼流分為4比特一組，與H碼一起并聯(lián)送入插入邏輯。插入邏輯電路實(shí)際上是一個(gè)插入邏輯電路實(shí)際上是一個(gè)5選選1的電路，的電路，它利用鎖相環(huán)中5分頻電路輸出讀出時(shí)序脈沖。由插入邏輯輸出碼速為42 960 kb/s的4B1H碼。圖4.25示出4B1H譯碼器原理，譯碼器原理，它由B碼還原、H碼分離、幀同步和相應(yīng)的時(shí)鐘頻率變換電路組成。把42960 kb/s的4B1H碼加到緩存器，因4