第6讲_通信系统线路码

1、2022-2-211第六讲第六讲光纤通信系统光纤通信系统线路编码线路编码2022-2-212光纤通信系统光纤通信系统线路码线路码l 从信源或编码器输出的信号一般为从信源或编码器输出的信号一般为NRZ码，码，但是在进行数字传输时要考虑传输信道的特点。但是在进行数字传输时要考虑传输信道的特点。为使终端信息比特与信道相匹配，需要把为使终端信息比特与信道相匹配，需要把NRZ码码变换为适合于信道传输的数字信号，这个过程称变换为适合于信道传输的数字信号，这个过程称为为线路编码线路编码。l 线路编码的主要功能之一是，根据线路编码的主要功能之一是，根据香农香农(Shannon)信道编码理论，信道编码理论，把冗

2、余度引入到信号码把冗余度引入到信号码流中流中，以尽量减少由于信道干扰效应而引起的差，以尽量减少由于信道干扰效应而引起的差错。从错。从理论上讲理论上讲，只要包括所引入的冗余度在内，只要包括所引入的冗余度在内的信号码率小于信道容量，就可以实现任何程度的信号码率小于信道容量，就可以实现任何程度的无误数字数据传输（无误程度取决于引入冗余的无误数字数据传输（无误程度取决于引入冗余度的大小）。度的大小）。 2022-2-213光纤通信系统光纤通信系统线路码线路码l电缆数字通信系统中常采用的线路码型：电缆数字通信系统中常采用的线路码型： 三阶高密度双极性码三阶高密度双极性码 HBD3 特点：特点：1. 连连

3、“0”控制在三个以下；控制在三个以下； 2. 有有+1/0/-1三个电平，极性交替出现；三个电平，极性交替出现； 3. 没有直流分量的漂移。没有直流分量的漂移。l光纤通信的基本码型：光纤通信的基本码型：单极性不归零码单极性不归零码 NRZ 单极性归零码单极性归零码 RZHBD3HBD3 0 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 0原码原码RZRZ 0 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 1 0 0 0 1 0原码原码2022-2-214l一般概念一般概念光纤通信系统光纤通信系统线路码线路码PCMPCM电端机电端机HBD3HBD3 码型变换码型变换 设备设备单极性单极性

4、驱动电路驱动电路 光源光源线路码线路码 原则：原则：1.1.能限制传号能限制传号“1”1”的概率，节省发射功率；的概率，节省发射功率； 2.2.能给接收机提供足够的定时信息；能给接收机提供足够的定时信息； 3.3.能对光电端机进行不中断业务的误码检测；能对光电端机进行不中断业务的误码检测； 4.4.能提供辅助信号和区间通信信道等。能提供辅助信号和区间通信信道等。通过增加线路码率的冗余度实现。通过增加线路码率的冗余度实现。 意义：意义：a.a.实现不间断业务的误码监测；实现不间断业务的误码监测； b.b.可与主信号传送勤务通信；可与主信号传送勤务通信； c.c.平衡码流，不发生长连平衡码流，不发

5、生长连“0”0”或或“1”1”。2022-2-215光纤通信系统中光纤通信系统中常用常用线路码型线路码型 光端机的接口有光端机的接口有电接口电接口和和光接口光接口之分，电接口之分，电接口码型应选择与码型应选择与PCM终端机的接口码型一致，如终端机的接口码型一致，如AMI，HDB3等等 ，光接口用于光端机和光缆线路的，光接口用于光端机和光缆线路的连接，其连接，其最适宜采用的仍为二元码最适宜采用的仍为二元码。由于二元码的。由于二元码的缺陷通常对于由电端机输出的信号码流，在未对缺陷通常对于由电端机输出的信号码流，在未对LD调制以前，一般要先调制以前，一般要先扰码扰码或者进行或者进行码型变换，码型变换

6、，常用的线路码型有：常用的线路码型有：l加扰二进码；加扰二进码； 1B2B1B2B码；码；l二元分组码（二元分组码（mBnBmBnB码）；码）；l插入比特码（插入比特码（mB1PmB1P码、码、mB1CmB1C码、码、mB1HmB1H码）；码）；2022-2-216加扰二进码加扰二进码l 这是这是最适用最适用的传输线路码型。由于它把信的传输线路码型。由于它把信息序列按一定规则进行扰码，使线路码流中息序列按一定规则进行扰码，使线路码流中“0”和和“1”码出现的概率相等，所以码出现的概率相等，所以不仅不仅从统从统计特性上看不会存在长连计特性上看不会存在长连“0”或长连或长连“1”码情码情况，况，还

7、还可以把直流成分保持在一定的水平。可可以把直流成分保持在一定的水平。可见它见它解决了定时信息的提取解决了定时信息的提取和和基线漂移基线漂移两个问两个问题，而且并题，而且并不增加信号码率不增加信号码率，这一点对于光接，这一点对于光接口标准化有特殊意义，因此在新一代的光同步口标准化有特殊意义，因此在新一代的光同步传输网（传输网（SDH）中得到了广泛的应用。）中得到了广泛的应用。缺点缺点是是扰码后的码型没有规律，不能解决在线检测误扰码后的码型没有规律，不能解决在线检测误码问题。码问题。2022-2-2171B2B码码 1B2B码包括码包括CMI码、码、DMI码和双相码码和双相码等等，都是用等等，都是

8、用两个码表示一个信息码两个码表示一个信息码，因，因此使线路的此使线路的传输速率增高了一倍传输速率增高了一倍。 优点是：优点是：1、电路简单；、电路简单； 2、最大连、最大连“0连连“1”数仅为数仅为2； 3、定时信息丰富，便于不停止、定时信息丰富，便于不停止 v 业务的误码检测；业务的误码检测；是低速是低速34Mb/s以下系统中常用的线路码型以下系统中常用的线路码型。2022-2-218二元分组码二元分组码（mBnBmBnB码）码） 把把1B2B码推广到一般就是码推广到一般就是 mBnB码码(mn)，即将输入信息序列即将输入信息序列(信码流中信码流中)以每以每 m个比特为一个比特为一个个信息组

9、信息组，然后，然后变换为变换为n比特比特。因为。因为2m 2n，所，所以在以在2n 个字节中可以个字节中可以找出适合找出适合与与2m 个输入字节个输入字节相对应的码。只要适当地选取相对应的码。只要适当地选取m、n值，就可以值，就可以减小线路传输速率的增高比例，可见减小线路传输速率的增高比例，可见mBnB码是码是一种能提高信号传输速率的编码方法。一种能提高信号传输速率的编码方法。 1mBnB码分类码分类 首先介绍首先介绍字不均等值字不均等值 d的概念：的概念：d是是 nB码组的码组的单个码字中将单个码字中将“0作为作为- 1，“1”作为作为+ 1计算出计算出的的2022-2-219 代数和代数和

10、（有些文献称之为字数和（有些文献称之为字数和WDS）。满足）。满足1mn的的mBnB码有许多种，按字不均等值分类，码有许多种，按字不均等值分类，有三种情况：有三种情况： （1） 零不均等性零不均等性：符合零不均等性的码又叫：符合零不均等性的码又叫均等均等 mBnB码码（n m 2），其码组内的），其码组内的“0和和“1”个个数相等，可见数相等，可见只有为偶数时，才能编出只有为偶数时，才能编出d0的均的均等码等码，例如例如6B8B码，码，6比特码字的数目为比特码字的数目为2664， 8比特码字中比特码字中d0的码字数目（的码字数目（0、1各出现四个）各出现四个）为为C4870，因为，因为26 C

11、48 ，故而编出的，故而编出的8 B零不均零不均等码字足够与等码字足够与6B的码组相对应。同时由于的码组相对应。同时由于该码该码所所含含0与与1的个数均为偶数，所以用奇偶校验进行误的个数均为偶数，所以用奇偶校验进行误码检测比较方便。码检测比较方便。 2022-2-2110（2） 1 1不均等性不均等性：m比特码只占用比特码只占用n比特码中不比特码中不均等值为均等值为1的码字，当的码字，当n为奇数时，可采用这为奇数时，可采用这种码，如种码，如5B7B码用的是码用的是d=-1的码字。的码字。5比特码比特码字的数目为字的数目为2532，7比特码字中比特码字中d1的数的数目有目有C47=35，满足，满

12、足 25 C47。由于。由于5B7B码中的码中的“0”多于多于“1”，所以这种码型可以，所以这种码型可以节省发射光节省发射光功率。功率。 （3）平衡不均等码平衡不均等码：大多数的：大多数的mBnB码都属于码都属于平衡不均等码。即需要用两种模式，平衡不均等码。即需要用两种模式，使若干使若干 n B码字的累积数字和达到平衡码字的累积数字和达到平衡，如，如 2B3B、 3B4B、5B6B、 7B8B等。等。2022-2-21112 3B4B码码 为了对平衡不均等码作较详细的介绍，为了对平衡不均等码作较详细的介绍，下面以下面以3B4B码为例。码为例。所谓所谓3B4B码是码是将输入信将输入信号码流每号码

13、流每 3b分成一组，它有分成一组，它有23= 8种状态，然种状态，然后编成后编成 4b码，有码，有24 16种状态。现列出种状态。现列出 3B码码和和4B码的状态，如下表所示。如何在码的状态，如下表所示。如何在 4B码的码的16种状态中种状态中挑选挑选8种种与与 3B码对应？一个好的方码对应？一个好的方案必须符合光纤系统对数字码流的要求。案必须符合光纤系统对数字码流的要求。2022-2-2112 在在4B码的码的16种状态种状态中，如果按字不均等值中，如果按字不均等值d分类共有分类共有5种情况种情况，如表所列。，如表所列。2022-2-2113 表中表中d0的有的有6组，组，d=2的各有的各有

14、4组，组， d=4的各有的各有1组，首先组，首先从减少同码连续数从减少同码连续数及及基线漂移基线漂移的角度来看，希望的角度来看，希望选择选择d0及连及连0数少的码组，所以数少的码组，所以d=4 的两组应排除在的两组应排除在外。即使让外。即使让d0的的6组全部入选，还需从组全部入选，还需从d=2 的的8组中再组中再选两组。这样凑成的码表中，选两组。这样凑成的码表中，“1”码和码和“0”码的分布是不码的分布是不均匀的，因此均匀的，因此最好的方案是最好的方案是d=2 的组合搭配使用的组合搭配使用， 分成分成正、负正、负两个两个模式模式排列排列 表中给出的表中给出的3B4B码，码，把把d0的的6组码作

15、两模式的组码作两模式的公用码公用码； 0100和和 0010放入放入负模式负模式;1011和和1101放入放入正正模式模式。2022-2-2114 编码时，对于编码时，对于3B码的码的8种组合，除种组合，除000、111外其余码凡外其余码凡含有两个含有两个“0”的，形成的，形成4B码时码时补一个补一个“1” ，凡，凡含有两个含有两个“1”的，形成的，形成4B码码时时补一个补一个“0”。 这样形成的这样形成的6个个4B码组都是两个码组都是两个“1”两个两个“0”均等码，即两种模均等码，即两种模式的公用码；而式的公用码；而000用用0100（负模式）和（负模式）和1011（正模式）交替表示，（正模

16、式）交替表示，111用用0010（负模式）和（负模式）和1101（正模式）交替表（正模式）交替表示。示。2022-2-2115 遇到码组的遇到码组的累计数字和累计数字和d=2 时，就进行时，就进行模式转换模式转换，这样就达到了使传输码流中，这样就达到了使传输码流中“0”、“1”码数目平衡的目的。模式转换状态如图所码数目平衡的目的。模式转换状态如图所示，图中示，图中S为为负模式，负模式，S2为为正模式正模式。 4B码组中共有码组中共有16组码，未被采用的组码，未被采用的6组码组码称为称为禁字禁字，可作为，可作为误码检测误码检测。2022-2-2116mBnB编译码器编译码器 国内设备一般采用国内

17、设备一般采用码表存储编码器码表存储编码器即：即： 把设计好的码表把设计好的码表 全部存储到一块只读存储器全部存储到一块只读存储器(PROM)内而构成。内而构成。 以以3B4B码为例，码表存储编码器的工作原理示于码为例，码表存储编码器的工作原理示于下图。首先把设计好的码表存入下图。首先把设计好的码表存入 PROM内，待变换的内，待变换的信号码流通过串一并变换电路变为信号码流通过串一并变换电路变为3比特一组的码比特一组的码b1、b2、b3，并行输出作为，并行输出作为PROM的的地址码地址码，在地址码作用，在地址码作用下，下，PROM根据存储的码表根据存储的码表，输出与地址对应的并，输出与地址对应的

18、并 行行 4B码，再经过并一串变换电路，读出已变换的码，再经过并一串变换电路，读出已变换的 4B码流码流。图中。图中 A、B、C三条线为三条线为组别控制线组别控制线，当，当WDS=2时时，从，从A、B分别送出控制信号，通过分别送出控制信号，通过C线决定组别线决定组别。2022-2-2117mBnB编译码器编译码器 待变换的信号码流待变换的信号码流 PROM的的地址码地址码 输出与地输出与地址对应的并行址对应的并行4B码码已变换的已变换的 4B码流码流(C线决定组别线决定组别)。2022-2-2118mBnB编译码器编译码器 译码器译码器与编码器基本相同，只是除去组别与编码器基本相同，只是除去组

19、别控制部分。译码时，把送来的已变换的控制部分。译码时，把送来的已变换的4B码流码流，每，每4比特并联为一组，作为比特并联为一组，作为PROM的地址，的地址，然后读出然后读出3B码，再经过并一串变换还原为原来码，再经过并一串变换还原为原来的信号码流。的信号码流。 其他的其他的mBnB码编译码电路原理相同，只码编译码电路原理相同，只是电路复杂程度有所区别而已。是电路复杂程度有所区别而已。2022-2-2119l3B4B码的特点：码的特点： 1）最大连）最大连“0”连连“1”数为数为4，故定时信息丰富，故定时信息丰富； 2）正、负模式交替出现，）正、负模式交替出现，“0”、“1”分布均分布均等，等，

20、 有利于减少码流的基线漂移；有利于减少码流的基线漂移； 3）便于实现在线误码检测；）便于实现在线误码检测； 4）变换及反变换电路比较简单；）变换及反变换电路比较简单； 5）码速率提高了）码速率提高了 33，主要用于中等速率的，主要用于中等速率的传输系统。传输系统。2022-2-21203. 5B6B码简介码简介 这是近年来在这是近年来在高速高速光纤数字传输系统中开始应光纤数字传输系统中开始应用的一种线路传输码型。它综合考虑了频带利用用的一种线路传输码型。它综合考虑了频带利用率和设备复杂性，虽然率和设备复杂性，虽然增加了增加了 20的码速的码速，却换，却换取了便于提取定时信息、低频分量小、可实施

21、监取了便于提取定时信息、低频分量小、可实施监测、迅速同步等优点。我国测、迅速同步等优点。我国已规定已规定在在 140 Mb/s系系统中采用统中采用5B6B码。码。 在实际使用中，同样是在实际使用中，同样是5B6B码型，按照不同码型，按照不同的组合方式，可以有多种变换方案。不同组合的的组合方式，可以有多种变换方案。不同组合的5B6B码，虽然都具有上述优点，但程度有所不同码，虽然都具有上述优点，但程度有所不同，因此如何编制码表仍是一个重要问题。，因此如何编制码表仍是一个重要问题。2022-2-2121插入比特码插入比特码 插入比特码是当前我国应用较多的一种线路插入比特码是当前我国应用较多的一种线路

22、码，码，优点优点是设计灵活，适合于高码率系统，能是设计灵活，适合于高码率系统，能传递丰富的辅助信息及中途方便地上下话路。传递丰富的辅助信息及中途方便地上下话路。 插入比特码的构造插入比特码的构造：把输入的信息序列以：把输入的信息序列以m比特为一组，每组后面比特为一组，每组后面插入插入一个冗余比特。这一个冗余比特。这样组成的线路码其码速变换为样组成的线路码其码速变换为(m+1)/m，可见它，可见它确是一种确是一种高效率高效率的线路码。根据插入码的用途的线路码。根据插入码的用途不同，可分为下面三种码型：不同，可分为下面三种码型：2022-2-21221mB1P码码 P码码称为称为奇偶校验码奇偶校验

23、码，它可以把，它可以把m位原码通过末位位原码通过末位插入插入P码，校正为偶数码或奇数码。以码，校正为偶数码或奇数码。以8B1P为例：为例： 图中的图中的P为为偶偶校验码。校验码。2022-2-21232mB1Ci 码码 C码码称为称为反码反码或或补码补码(Complementary)。若第。若第m位码为位码为“ 1”时，时， C码编为码编为“0”则称其为则称其为mB1C1码码；若第（；若第（m1）位码为）位码为“1”时，时，C码编为码编为“0就就称其为称其为mB1C2码，可见码，可见i仅表示补码的仅表示补码的参照码位置参照码位置。例如有信码例如有信码: 11011001 00100100 11

24、110110 则则8B1C1: 1101100100010010011111011018B1C2: 1101100110010010011111011002022-2-2124 在高速光纤通信系统中，在高速光纤通信系统中，m以取以取810为宜。概括为宜。概括起来起来mB1Ci码有以下特点：码有以下特点： 1）可以抑制连可以抑制连“0或连或连“1”数，且有平衡数，且有平衡“1”码码和和“0”码的作用，还可以抑制功率谱中的高低频成码的作用，还可以抑制功率谱中的高低频成分，分，m越小，抑制作用越好；越小，抑制作用越好； 2） mB1Ci码有抑制抖动的作用，如果再加扰码，码有抑制抖动的作用，如果再加扰

25、码，效果更好；效果更好； 3）可以实现不中断业务的误码监测（误码检测只可以实现不中断业务的误码监测（误码检测只针对针对C码的监督位码进行）；码的监督位码进行）； 4）电路硬件规模随着电路硬件规模随着m的增加并不复杂多少。的增加并不复杂多少。 2022-2-21253mB1H码码 H码码称为称为混合码混合码（Hybrid），），H码具有多种功码具有多种功用。它实际上是由同步码、区间通信、公务、用。它实际上是由同步码、区间通信、公务、监测、辅助数据信息等监测、辅助数据信息等插入码和插入码和C码混合而成码混合而成。 C码在码在8B1H中不仅能抑制相同连码的数目、中不仅能抑制相同连码的数目、增加定时信

26、息、平衡传输信息中增加定时信息、平衡传输信息中“1”和和“0出出现的概率，还可以利用现的概率，还可以利用C码进行不中断业务的误码进行不中断业务的误码监测。码监测。mB1H码实现了各种信息在同一根光纤码实现了各种信息在同一根光纤中传送中传送。2022-2-2126mB1H码的基本结构如图所示码的基本结构如图所示 图中图中C为为mB中中最后一个最后一个信号码的信号码的补码补码，S为为多余比特码多余比特码，可以在特定的，可以在特定的mB1H码中按照各码中按照各自的帧结构，组成辅助信号插入到自的帧结构，组成辅助信号插入到S码位中去。码位中去。C码和码和S码位插入的辅助信号码位插入的辅助信号统称为统称为

27、H码码。 2022-2-2127 我国采用的有我国采用的有8B1H、4B1H及及1B1H码。下面码。下面以以 8B1H为例详细说明。为例详细说明。 8B1H 码码： 8B1H 码是对二元信号序列进行码是对二元信号序列进行(m1）/m9/8的速率变换，的速率变换，每隔每隔 8个比特附加一个冗余个比特附加一个冗余比特比特。利用冗余比特。利用冗余比特交替地交替地传输传输C码和插入脉码和插入脉冲。在冲。在 140 Mbs系统中，插入脉冲可以传送系统中，插入脉冲可以传送三个三个2 Mb/s的区间通信信息（的区间通信信息（90个话路），两个话路），两路数据信息，一路监测信号和一路公务信号。路数据信息，一路

28、监测信号和一路公务信号。8B1H码的帧结构如下图所示码的帧结构如下图所示2022-2-2128 帧结构中，帧结构中，C码、码、F（帧同步）码与（帧同步）码与S码码统称统称为为H码码，图中各符号表示如下。，图中各符号表示如下。B为为PCM信号信号F 1、2、3、4为帧同步码（为帧同步码（1001）S 1、5、8、12、15、19、22、26为区间通信为区间通信12022-2-2129S 2、6、9、13、16、20、23、27为区间通信为区间通信S 3、7、10、14、17、21、24、28为区间通信为区间通信S4为数据信息；为数据信息；S11为监控信息；为监控信息；S18为数据信息为数据信息S

29、25为公务信息；为公务信息； 输入信号码率输入信号码率： 139. 264 Mb/s线路码率线路码率：139.264Mb/s 139.264Mb/s 9 98 8156.672 Mb156.672 Mbs s帧长：帧长：576576比特比特；帧频帧频： 156.672 MHz156.672 MHz576576 272 kHz272 kHz区间通信速率：区间通信速率：272272 8 8 2.176 Mb2.176 Mbs s监测用码速率：监测用码速率： 272 kb272 kbs s公务用码速率：公务用码速率： 272 kb272 kbs s数据速率：数据速率： 272 kb272 kbs s 2 2供用户选用供用户选用2022-2-2130mB1H编译码器编译码器编码器编码器 与与mBnB码不同，码不同，mB1H码没有一一对应的码结码没有一一对应的码结构，所以构，所以mB1H码的变换不能采用码表法，一般都采码的变换不能采用码表法，一般都采用用缓存插入法缓存插入法来实现，现以来实现，现以4B1H码为码为例例说明说明 。 4B1H码是码是每每4个信号码插入一个个信号码插入一个H码码，因此变，因此变换后码速增加换后码速增加 14。