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)射負光脈沖，因此必須進行碼型變換，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)普遍采用二進制二電平碼，即“有光脈沖”表示“”碼， “無光脈沖”表示“0”碼。線路編碼是指使用一套規(guī)則把信號符號編排為一個特殊的格式。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。簡單的二電平碼會帶來如下問題：簡單的二電平碼會帶來如下問題： 在碼流中，出現(xiàn)“”碼和“0”碼的個數(shù)是隨機變化的， 因而直流分量也會發(fā)生隨機波動隨機波動(基線漂移基線漂移)， 給光接收機的判決帶來困難。 在隨機碼流中，容易

2、出現(xiàn)長串連“”碼或長串連“0”碼，這樣可能造成位同步信息丟失，給定時提取造成困難或產(chǎn)生較大的定時誤差。不能實現(xiàn)在線(不中斷業(yè)務)的誤碼檢測， 不利于長途通信系統(tǒng)的維護。長連1碼引起的接收機基線漂移（由于接收機低頻效應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)絡不能通過碼流包含的直流分量，矩形脈沖經(jīng)過交流耦合網(wǎng)絡時出現(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)對線路碼型的主要要求是保數(shù)字光纖通信系統(tǒng)對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的靈敏度。 (2) 能給光接收機提供足夠的定時信息。因而應盡可能減少連“”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)測和公務通信。但對高速光纖通信系統(tǒng)，應適當減少冗余碼，以免占用過大的帶寬。 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)射機的調(diào)制器前， 需要附加一個

4、擾碼器擾碼器，將原始將原始的二進制碼序列加以變換，使其接近于隨的二進制碼序列加以變換，使其接近于隨機序列。機序列。相應地，在光接收機的判決器之后，附加一個解擾器，以恢復原始序列。擾碼與解擾可擾碼與解擾可由反饋移位寄存器和對應的前饋移位寄存由反饋移位寄存器和對應的前饋移位寄存器實現(xiàn)。器實現(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：缺點： 不能完全控制長串連“”和長串連“0”序列的出現(xiàn) 沒有引入冗余， 不能進行在線誤碼監(jiān)測； 信號頻譜中接近于直流的分量較大， 不能解決基線漂移。 因為擾碼不能完全滿足光纖通信對線路碼型的要求， 所以許多光纖通信設備除采用擾碼

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制原始碼流進行分組，每組有m個二進制碼，記為mB，稱為一個碼字碼字，然后把一個碼字變換為n個二進制碼，記為nB，并在同一個時隙內(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：將m位二進制比特編成n (nm)位碼并在相同的時間長度 內(nèi)發(fā)送出去，即在數(shù)據(jù)流中引入冗余優(yōu)點：基本能避免長連0和長連1的出現(xiàn) 冗余的引入可以增強糾錯能力缺點：帶寬比原來增大了n/m倍

6、1. mBnB碼編碼原理碼編碼原理最簡單的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)目不會超過兩個，例如1001和0110。但是在相同時隙內(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個碼字， 變換為4B碼時， 共有(24)16個碼字，見表4.2。為保證信息的完整傳輸，必須從4B碼的16個碼字中挑選8個碼字來代替3B碼。 設計者應根據(jù)最佳線路碼特性的原則來選擇碼表。例如：在3B碼中有2個“0”，變?yōu)?B碼時補1個“”；在3

7、B碼中有2個“1”， 變?yōu)?B碼時補1個“0”。而000用0001和1110交替使用； 111用0111和1000交替使用。同時，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“碼字數(shù)字和碼字數(shù)字和”(WDS)來描述碼字的均勻性，并以WDS的最佳選擇來保證線路碼的傳輸特性。所謂“碼字數(shù)字和碼字數(shù)字和”，是

8、在nB碼的碼字中，用“-1”代表“0”碼， 用“+1”代表“”碼，整個碼字的代數(shù)和即為WDS。如果整個碼字“”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；如果“0”碼和“1”碼的數(shù)目相等，則WDS為0。例如：對于0111，WDS=+2；對于0001， WDS=-2；對于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)這個規(guī)則編制的一種3B4B碼表，表中正組和負組交替使用。線路碼（4B）信

9、號碼（3B）模式2（負組）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個碼字，變換6B碼時共有(26)64個碼字，其中WDS=0有20個，WDS=2有15個，WDS=-2有15個，共有50個|WDS|最小的碼字可

10、供選擇。由于變換為6B碼時只需32個碼字，為減少連“”和連“0”的數(shù)目， 刪去： 000011、 110000、 001111和111100。當然禁用WDS=4和6的碼字。 表4.4示出根據(jù)這個規(guī)則編制的一種5B6B碼表，正組和負組交替使用。 表中正組選用20個WDS=0和12個WDS=+2，負組選用20個WDS=0和12個WDS=-2。線路碼（6B）信號碼（5B）模式2（負組）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，設計者可以根據(jù)傳輸特性的要求確定某種碼表。mBnB碼碼的特點是：特點是： (1) 碼流中“0”和“1”碼的概率相等， 連“0”和連“1”的數(shù)目較少，定時信息豐富。(2) 高低頻分量較小，信號頻譜特性較好，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。 mBnB碼碼的缺點是缺點是傳輸輔助信號比較困難。因此，在要求傳輸輔助信號或有一定數(shù)量的區(qū)間通信的設備中，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，就是把整個編譯碼器都集成在一小塊芯片上，組成一個大規(guī)模專用集成塊， 國外設備大多采用這種方法。 一種是一種是把設計好的碼表全部存儲到一塊只讀存儲器(PROM)內(nèi)而構成，國內(nèi)設備一般采用這種方法以3B4B碼為例，碼表存儲編碼器的工作原理示于圖4.22。 首先把設計好的碼表存入PROM內(nèi)，待變換的信號碼流通過串 - 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)存儲的碼表， 輸出與地址對應的并行4B碼，再經(jīng)過并 - 串變換電路，讀出已變換的4B碼流。圖 4.22 碼表存儲編碼器原理 并串PROMB1B2B3B4

13、b1b2b3串并組別變換ABC變前時鐘已變換的輸出4B碼流變換時鐘待變換輸入信號碼流圖中A、B、C三條線為組別控制控制線，當WDS=2時， 從A、B分別送出控制信號， 通過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，把送來的已變換的4B信號碼流，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)過并 - 串變換還原為原來的信號碼流。 其他的mBnB碼編譯碼電路原理相同，只是電路復雜程度有所區(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、律插入一個碼，組成m+1個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，可以進行在線誤碼率監(jiān)測在線誤碼率監(jiān)測； 同時改善了“0”碼和“1”碼的分布，有利于定時提取。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比特補碼，這個補碼補碼稱為C碼碼， 所以稱為mB1C碼碼。補碼插在mB碼的末尾，連“0”碼和連“1”碼的數(shù)目最少。mB1C碼的結構如圖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碼的結構mBCmBCmBCCmB1H碼是mB1C碼演變而成的，即在mB1C碼中，扣除部分C碼，并在相應的碼位上插入一個混合碼混合碼(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位碼的補碼，用于在線誤碼率監(jiān)測；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、數(shù)據(jù)、監(jiān)測等信息的傳輸。 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)點是優(yōu)點是碼速提高不大，誤碼增值??； 可以實現(xiàn)在線誤碼檢測、區(qū)間通信和輔助信息傳輸。

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

17、 0000 0011 1100當檢測得m+1個碼內(nèi)“”碼為偶數(shù)時， 則認為無誤碼。2. 編譯碼器編譯碼器和mBnB碼不同，mB1H碼沒有一一對應的碼結構，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實現(xiàn)。 圖4.24示出4B1H編碼器原理編碼器原理，它由緩存器、寫入時序電路、插入邏輯和讀出時序電路四部分組成。4B1H碼是每4個信號碼插入一個H碼， 因此變換后碼速增加1/4。設信號碼的碼速為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寫入時序(四分頻)讀出時序(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分頻信號作為寫入時序脈沖，隨機但有順序地把34 368 kb/s信號碼流分為4比特一組，與H碼一起并聯(lián)送入插入邏輯。插入邏輯電路實際上是一個插入邏輯電路實際上是一個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、幀同步和相應的時鐘頻率變換電路組成。把42960 kb/s的4B1H碼加到緩存器，因4