СПОСОБ КОДИРОВАНИЯ ЦИФРОВОГО СИГНАЛА ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ Российский патент 2008 года по МПК H03M13/00 

Изобретение относится к средствам кодирования цифрового сигнала для передачи информации и может использоваться в технике связи.

Известно, что цифровая передача данных требует выполнения нескольких обязательных операций:

- синхронизации тактовой частоты передатчика и приемника;

- преобразования последовательности битов в электрический сигнал;

- уменьшения частоты спектра электрического сигнала с помощью фильтров;

- передачи урезанного спектра по каналу связи;

- усиления сигнала и восстановления его формы приемником;

- преобразования аналогового сигнал в цифровой.

Взаимосвязь тактовой частоты и битовой последовательности следующая.

Битовый поток передается со скоростью, определяемой числом бит в единицу времени, где число бит в секунду - это число дискретных изменений сигнала в единицу времени. Тактовая частота в герцах - это число синусоидальных изменений сигнала в единицу времени.

Известен способ кодирования для цифровой передачи данных с помощью кода RZ (см. Приложение к заявке).

Известный способ заключается в том, что используют трехуровневый код, в котором осуществляют кодирование сигнала с возвратом к нулевому уровню (Return to Zero), где логическому нулю соответствует положительный импульс, логической единице - отрицательный. Информационный переход осуществляется в начале бита, возврат к нулю - в середине бита. Поскольку в центре бита всегда есть переход (положительный или отрицательный), то каждый бит обозначен. Приемник может выделять синхроимпульс (строб), имеющий частоту следования импульсов, из самого сигнала. Привязка производится к каждому биту, что обеспечивает синхронизацию приемника с передатчиком. Это самосинхронизирующийся код, т.к. он несет в себе строб.

Недостатком известного кода является то, что он не дает выигрыша в скорости передачи данных, требуя высокой частоты (для скорости 10 Мбит/сек требуется 10 МГц). Кроме того, для различения трех уровней необходимо лучшее соотношение сигнал/шум на входе в приемник, чем для двухуровневых сигналов.

Известен способ кодирования для цифровой передачи сигналов, описанный в п. РФ №2205518 "Способ формирования сигналов с квадратурной фазовой модуляцией" по кл. H04L 27/20, з. 11.12.01, опубл. 27.05.03. Известный способ заключается в том, что расщепляют несущее колебание на синфазное и квадратурное колебания, формируют синфазный и квадратурный гармонические сигналы путем деления частоты синфазного и квадратурного колебаний в (4к+1) раз, где к - целое, сдвигают манипулирующие видеосигналы на половину длительности символа так, что фазы синфазного и квадратурного гармонических сигналов совпадают с фазами соответственно синфазного и квадратурного колебаний в начале и в конце каждого символа, производят манипуляцию синфазного и квадратурного колебаний по фазе на 180° манипулирующими видеосигналами, производят балансную модуляцию синфазного и квадратурного двоично-манипулированных колебаний синфазным и квадратурным гармоническими.

Недостатком известного способа является сложность схемно-аппаратной реализации.

Известен способ модуляции цифрового сигнала для передачи данных по узкополосным каналам электросвязи, описанный в одноименном патенте РФ №2210192 по кл. H04L 27/20, Н04В 14/04, з. 10.03.2001, опубл. 10.08.2003. Известный способ заключается в том, что модулируют цифровой сигнал биимпульсным кодом, меняя фазу несущего сигнала при переходе от кодирования логического 0 модулируемого цифрового сигнала к кодированию логической 1 модулируемого цифрового сигнала, и наоборот, причем в промодулированном сигнале присутствуют только двухбитные и однобитные посылки, а длительность двухбитной посылки относится к длительности однобитной посылки как 1,5:1, причем при каждом скачке фазы несущего сигнала фаза меняется на минус 90°.

Недостатком известного способа является сложность реализации, связанная с использованием для кодирования биимпульсного кода и получением посылок разной длительности, использованием аппаратных средств - микропроцессора ЦАП.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ кодирования Манчестер, описанный в прилагаемом описании методов кодирования. Код Манчестер характеризуется тем, что он не имеет постоянной составляющей при передаче длинной последовательности единиц или нулей. Он также является самосинхронизирующимся кодом, но имеет два уровня и обеспечивает лучшую помехозащищенность. Каждый бит информации кодируется прямым и инверсным значением - логическому нулю соответствует переход на верхний уровень в центре битового интервала, логической единице - переход на нижний уровень, т.е. кодирование осуществляется по переходу сигнала из одного уровня ("0" или "1") в другой. Код Манчестер получают, генерируя строб, который затем суммируют по модулю 2 с кодируемым сигналом, получая сигнал для передачи.

Недостатком известного способа кодирования является то, что он осуществляется, как правило, схемными средствами с использованием дополнительных стробирующих импульсов. Поскольку его декодирование осуществляется по переходам из "0" в"1" и из "1" в "0", то любая, даже очень короткой длительности помеха может привести к неверному приему всего последующего кода. Если же формировать код Манчестер программными средствами, то за счет кодирования каждого бита информации двумя битами имеет место большая загрузка процессора и длительное время передачи сигнала, поскольку процессор должен программно обработать каждый бит при передаче данных.

Задачей изобретения является обеспечение возможности кодирования цифрового сигнала для помехоустойчивой передачи информации программными средствами при относительно небольшой загрузке процессора. Поставленная цель достигается тем, что в способе кодирования цифрового сигнала для передачи информации, заключающемся в том, что цифровой сигнал преобразуют к виду, характеризующемуся отсутствием постоянной составляющей при передаче длинной последовательности единиц и нулей путем логического кодирования каждого бита исходного сигнала информации, согласно изобретению кодирование осуществляют по уровню сигнала, при кодировании каждый байт исходного цифрового сигнала разделяют на два байта - четный и нечетный, при этом четный байт получают из исходного цифрового сигнала обнулением в нем нечетных бит, а нечетный - обнулением в нем четных бит, причем в четном байте каждый бит информации передают инверсным значением четного бита, записанного на место соседнего обнуленного нечетного бита и прямым значением четного бита, а в нечетном байте каждый бит информации передают прямым значением нечетного бита и инверсным значением нечетного бита, записанного на место соседнего обнуленного четного бита, при этом все манипуляции с сигналом осуществляются программными средствами.

Выполнение кодирования по уровню сигнала путем разделения каждого байта на два - четный и нечетный, с обнулением в четном байте нечетных бит, а в нечетном - четных бит, с последующей передачей в четном байте каждого бита информации инверсным значением четного бита, записанного на место соседнего обнуленного нечетного бита, в нечетном - передачей каждого бита прямым значением нечетного бита и инверсным значением нечетного бита, записанного на место соседнего обнуленного нечетного бита, - позволяет произвести кодирование программным способом с высокой помехоустойчивостью за счет передачи каждого бита данных двумя битами и в случае необходимости исправления ошибок передачи информации о четности или нечетности передаваемых байт в данных при простых манипуляциях с сигналом, не требующих большой загрузки процессора.

Сигнал кодируется и затем декодируется по уровню, а не по переходу из «0» в «1» и из «1» в «0». Это обеспечивает его более высокую защищенность от импульсных помех. Передача осуществляется побайтно и сбой одного бита не приводит к искажению последующих данных. Помехоустойчивость кода повышена также за счет дублирования передачи каждого бита. Байты, закодированные таким образом, могут передаваться и приниматься с использованием стандартного последовательного интерфейса, который имеется в большинстве существующих микроконтроллеров. Технический результат - получение кода, не имеющего постоянной составляющей, в котором производится дублирование передачи каждого бита прямым и инверсным значениями без специального схемного решения программными средствами, простые манипуляции с сигналом, не занимающие много времени и не загружающие процессор.

Заявляемый способ обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него такими существенными признаками, как разделение исходного цифрового сигнал на два байта - четный и нечетный, получение четного байта из исходного, обнулением в нем нечетных бит, а нечетного - обнулением в исходном байте четных бит, последующим дублированием в четном байте каждого четного бита, с записью его на место соседнего обнуленного нечетного бита и инвертированием его, дублированием в нечетном байте каждого нечетного бита с записью его на место соседнего обнуленного четного бита и инвертированием его, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата.

Заявителю неизвестны технические решения, обладающие указанными отличительными признаками, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата, поэтому он считает, что заявляемый способ соответствует критерию "изобретательский уровень".

Заявляемый способ кодирования цифрового сигнала для передачи информации может найти широкое применение для передачи данных по радиоканалу, передачи по токовой петле и т.п, поэтому соответствует критерию "промышленная применимость".

Заявляемый способ иллюстрируется диаграммами, приведенными на фиг.1 и 2, где представлены соответственно нечетный и четный байты сигнала (в цифровом и аналоговом виде).

Заявляемый способ кодирования цифрового сигнала для передачи информации заключается в следующем.

Цифровой сигнал преобразуют к виду, характеризующемуся отсутствием постоянной составляющей при передаче длинной последовательности единиц и нулей путем логического кодирования по уровню сигнала каждого бита исходного сигнала информации двумя битами - исходным и его инверсным значением. Для этого исходный цифровой сигнал разделяют на два байта - четный и нечетный, в одном из которых каждый бит информации представляют прямым и инверсным значениями, а в другом - инверсным и прямым значениями. При этом четный байт получают из исходного, обнуляя в нем нечетные биты, а нечетный - обнулением в исходном байте четных бит. В четном байте каждый бит информации передают инверсным значением четного бита, записанного на место соседнего обнуленного нечетного бита и прямым значением четного бита, а в нечетном байте каждый бит информации передают прямым значением нечетного бита и инверсным значением нечетного бита, записанного на место соседнего обнуленного четного бита. При этом все манипуляции с сигналом осуществляются программными средствами. Заявляемый способ кодирования цифрового сигнала для передачи информации осуществляется, например, следующим образом. Исходный байт разделяют наложением маски на четный и нечетный байты. Для удобства иллюстрации обозначим все разряды 8-миразрядного числа с меньшего разряда «0» и далее арабским цифрами как «76543210». Тогда нечетный байт будет включать в себя следующие биты «7531 », а четный - «6420»

Далее с каждым из них производят следующие манипуляции.

В нечетном байте «7531»:

1) четные биты обнуляют, получая «70503010»;

2) сдвигают полученный сигнал на 1 бит вправо, получая «х7050301»;

3) инвертируют полученный сигнал, получая

4) обнуляют все нечетные биты, получая

5) суммируют полученный в п.4) сигнал с сигналом по п.1), получая сигнал для передачи

В этом байте каждый бит информации передается вначале без инверсии, затем с инверсией, т.е. дублируется.

В четном байте «6420»:

1) обнуляют нечетные байты, получая «0604020»;

2) сдвигают полученный сигнал на 1 бит влево, получая «6040200х»;

3) инвертируют полученный сигнал, получая

4) обнуляют четные биты, получая

5) суммируют сигналы, полученные в п.1 и п.4), получая Таким образом, и в данном байте каждый бит информации передается дважды - как инверсный и как прямой.

При приеме информации декодирование сигнала производится, например, следующим образом.

1) в нечетном байта "7531" обнуляют четные биты, получая "70503010";

2) в четном байте "6420" обнуляют нечетные биты, получая "06040200";

3) суммируют четный и нечетный биты, получая в результате исходный байт "76543210".

Если прямой бит содержит ошибку, то байт можно восстановить из инверсных бит.

Пример кодирования байта по заявляемому способу (см. фиг.1 и фиг.2).

В качестве кодируемого байта возьмем, например число "10000010" (82h)

1. Программным способом разделяем исходный байт на байт с четными и байт с не четными битами.

Нечетный байт 1_0_0_1_

Четный байт 0_0_0_0_

2. Записываем в пропуски, обозначенные "_" инверсное значение предыдущего бита для нечетного байта и инверсное значение последующего бита для четного байта.

В результате получаются два байта: нечетный байт 10010110 и четный байт 10101010, в которых каждый бит представлен дважды: в первом случае (для нечетного байта) прямым и инверсным значениями, а во втором случае (для четного байта) - инверсным и прямым значениями.

В сравнении с прототипом заявляемый способ может быть реализован программными средствами с простыми манипуляциями сигналом при небольшой загрузке процессора.

Изобретение относится к средствам кодирования цифрового сигнала для передачи информации и может использоваться в технике связи. Сущность способа кодирования цифрового сигнала для передачи информации заключается в том, что цифровой сигнал преобразуют к виду, характеризующемуся отсутствием постоянной составляющей при передаче длинной последовательности единиц и нулей путем кодирования исходного сигнала информации, при этом кодирование осуществляют по уровню сигнала, при кодировании каждый байт исходного цифрового сигнала разделяют на два байта - четный и нечетный, при этом четный байт получают из байта исходного цифрового сигнала обнулением в нем нечетных бит, а нечетный байт - обнулением в нем четных бит, причем в четном байте каждый бит информации передают инверсным значением четного бита, записанного на место соседнего обнуленного нечетного бита обнуления, и прямым значением четного бита, а в нечетном байте каждый бит информации передают прямым значением нечетного бита и инверсным значением нечетного бита, записанного на место соседнего обнуленного четного бита, при этом все манипуляции осуществляются программными средствами. Технический результат - обеспечение кодирования цифрового сигнала для помехоустойчивой передачи информации программными средствами при относительно небольшой загрузке процессора. 2 ил.

Способ кодирования цифрового сигнала для передачи информации, заключающийся в том, что цифровой сигнал преобразуют к виду, характеризующемуся отсутствием постоянной составляющей при передаче длинной последовательности единиц и нулей путем кодирования исходного сигнала информации, отличающийся тем, что кодирование осуществляют по уровню сигнала, при кодировании каждый байт исходного цифрового сигнала разделяют на два байта - четный и нечетный, при этом четный байт получают из байта исходного цифрового сигнала обнулением в нем нечетных бит, а нечетный байт - обнулением в нем четных бит, причем в четном байте каждый бит информации передают инверсным значением четного бита, записанного на место соседнего обнуленного нечетного бита обнуления и прямым значением четного бита, а в нечетном байте каждый бит информации передают прямым значением нечетного бита и инверсным значением нечетного бита, записанного на место соседнего обнуленного четного бита обнуления, при этом все манипуляции с сигналом осуществляют программными средствами.