线路编码与多媒体应用

1. 5B6B码
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“１”和连 “0”的数目， 删去： 000011、 110000、 001111和111100。当 然禁用WDS=±4和±6的码字。
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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7.4 显示出根据这个规则编制的一种3B4B码 表，表中正组和负组交替使用。
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表 7.4 3B4B码变换规则表
信号码（3B）
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。
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三、 插入码 插入码是把输入二进制原始码流分成每m比特
(mB)为一组，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。
(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。
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解决问题的途径（理论基础）：
模拟信号数字化后，频带大大加宽。数字压缩编码、
扩频技术是使数字信号走向实用化的关键技术及有效途 径。它的理论基础是信息论中的香农定理——
CWlog2(1N S)
-2
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mBnB码优缺点：
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码的优点是：
(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。
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3.
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。
• 另一种是把设计好的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7.1。
待变 换输入 信号 码流
变前 时钟
图中A、B、C三 条线为组别控制 控制线，当
WDS=±2时， 从
图7.1 码表存储编码器原理
A、B分别送出控 制信号， 通过C
线决定组别。
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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。
接收机中还原为码 二中 进的 制误码数
G
线路码中总的误码数
G大表明译码后对应的误码可能更多，系统传输性能变差。
④ 冗余度：
——除了信息外，光通信系统还要传送其它辅助信号的能力称为冗余
度或冗余容量。冗余度大，有利于安排其它信号，但效率低。
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一、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。
其中C--信道容量（比特/秒），W--带宽（赫兹） ，N--噪 声功率，S--信号功率，当S/N很小时（≤0.1）得到：
W C N 1.44 S
C不变时，如N/S很大，必须有足够大的带宽W来传输信
号——扩频 ；如果N/S不变，带宽W与信道容量C成正比
（因为带宽W有限，信道容量C有限。可采用编码压缩信
表 7.2 3B和4B的码字 （无禁字）
3B
4B
000
0000
1000
001
0001
1001
010
0010
1010
011
0011
1011
100
0100
1100
101
0101
1101
110
0110
1110
111
0111
1111
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作为普遍规则，引入“码字的数字和”(WDS)来描 述码字的均匀性，并以WDS的最佳选择来保证线路码的 传输特性。
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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，使连“0”码和 连“1”码的数目最少。
mB1C码的结构如下图所示，例如： mB码为： 100 110 001 101…… mB1C码为： 1001 1101 0010 1010……
（3） 传号反转码,也称CMI码
用 “ 01” 表 示 ” 0”, 用”00”或”11”表示“1”。 交替地用正电平或负电平表示 “1”，用固定相位的一个周 期的方波表示”0”，不出现3 个以上连0/1，具有自检错能
力。 CMI码容易提取位定时信号，具有良好的检错能力。 9
2. mBnB码
最简单的mBnB码是1B2B码，即曼彻斯特码， 这就是把原码的“０”变换为“01”， 把“1”变 换为“10”。
因此最大的连“０”和连“１”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比特变为传输2比特， 码速提高了1倍。
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3. 3B4B码
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P97表7.2。
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。
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1. 1B2B码
包括双相码、CMI、密勒码等。2个二进制码表示一个信息码，传输速率提 高了一倍。电路简单，是低速(34Mb/s以下)系统中常用码型。
（1） 数字双相码或Mancherster码，分相码
码型变换后无直流分量，且容易从中提取出位同步信息，不出现2个以上连0/1。但变换使得原数字 信号的基带带宽加倍。在本地以太网（Ethernet）中有应用。
所谓“码字数字和”，是在线路编码的nB码的码字 中，用“-1”代表“0”码， 用“+1”代表“１”码，整个 码字的代数和即为WDS。
如果整个码字“１”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。
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。
表 存 入 PROM 内 ，
A
在地址码作用下，
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。
B1 B2 B3 B4 PROM
b1 b2 b3 串→并
B
组别 变换 C
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。
（2） 密勒码
是双相码的变形。编码规则是在“1”的中点发生电平跳变，出现单个”0”时，电平保持不变， 出现连零时，在连”0”的起始处发生电平跳变。最大宽度为两个码元周期，最小宽度为一个码元周期。 具有一定的误码检测性能。直流分量很小，频带宽度约为数字双相码的一半。可用于气象卫星、磁记 录、低速基带树传机等。
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具体要求——数字光纤通信系统对线路码型的要求：
(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， 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。应尽可能减少连 “１”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。
• 在码流中，出现“１”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“１”码或长 串连“0”码，这样可能造成位同步信息丢失，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。
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。
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， n>m，一般选取n=m+1。 mBnB 码 有 1B2B 、 3B4B 、 5B6B 、 8B9B 、 17B18B 等 等。
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扰码有下列缺点：
① 不能完全控制长串连“１”和长串连“0”序列 的出现；
② 没有引入冗余， 不能进行在线误码监测；
③ 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。
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二、 mBnB码(分组码)
§7.1 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（双 极性码），即“有光脉冲”表示“１”码， “无光 脉冲”表示“0”码。
1
必要性——解决简单的二电平码会带来的问题：
息冗余度来增加传输速率——编码压缩。
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光纤线路码的主要性能参数
① 码速提升率：
二进制码的速率为f1 ，线路编码后的速率f2为，码速提升率R为： R f2 f1 f1
② 最大同码连续数N:
最大相同符号“0”/“1”的连续数。 N取决于码的结构，值的大 小衡量线路码的定时信息、低频分量的参考值。
③ 误码增殖系数G，定义为：
0
26 11010 110100
0
110100
0
27 11011 111001 &1100 111000
0
111000
0
29 11101 10110
+2 010001
-2
30 11110 110110 +2 001001
-2
31 11111 111010 +2 000101
0
000
1
001
2
010
3
011
4
100
5
101
6
110
7
111
线路码（4B）
模式1（正组）
模式2（负组）
码字
WDS
码字
WDS
1011
+2
0100
-2
1110
+2
0001
-2
0101
0
0101
0
0110
0
0110
0
1001
0
1001
0
1010
0
1010
0
0111
+2
1000
-2
1101
+2
0010
-2 15
例 如 ： 在 3B 码 中 有 2 个 “ 0” ， 变 为 4B 码 时 补 1 个 “１”；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。
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表7.5显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=0和12个WDS=-2。
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续表
信号码（5B） 25 11001
线路码（6B）
模式1（正组）
模式2（负组）
码字 WDS 码字
WDS
110010
0
110010
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。
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变换 时钟 首先把设计好的码
并→串
已已变变换换输的 输出出44BB码码 流流
相应地，在光接收机的判决器之后，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“１”码与“0”码的分布， 从而改善了码流的 一些特性。
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 …