-
-
Verfahren zur Erzeugung eines gleichstromfreien mehrpegeligen Blockcodes
aus einem binären Signal Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines
gleichstromfreien mehrpegeligen Blockcodes aus mindestens einem binären Signal.
-
In vielen Fällen der Datenübertragung oder Datenspeicherung ist es
erforderlich, daß die zu übertragenden oder abzuspeichernden Signale gleichstormfrei
sind. Die Gleichstromfreiheit der Signale ist z.Bs dann erforderlich, wenn Übertragungslelitungen
durch Kondensatoren oder Transformatoren galvanisch getrennt sind oder die Signale
auf oder in einem magnetischen Material gespeichert werden sollen Zur Datenübertragung
oder Datenspeicherung werden wegen ihrer leichten Regenerierbarkeit in der Regel
Binärsignale verwendet, die zur Datenübertragung oder zur Geschwindigkeitsreduktion
der Datenübertragung auch als Mehrpegelsignale übertragen oder gespeichert werden.
-
Gleichstromfreie Codes sind z.B. aus der Zeitschrift NTZ (1970), H.
1, S. 11-16 bekannt. Sie werden in der Regel auf zwei Arten erzeugt. Entweder wählt
man für den Code nur solche Codewörter aus, die an sich schon gleichstromfren sind
(Balanced Code) oder man wählt pro Quellwert zwei (oder mehr) Codewörter mit positivem
und negativem Gleichstromanteil (z.B. Bimode-Code).
-
Im letzten Fall wird ständig der Gleichstromanteil überwacht und jeweils
dasjenige Codewort ausgesucht, dessen Gleichstromanteil dem ermittelten Gleichstromanteil
entgegenwirkt.
-
Der ErfIndung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erzeugung
eines gleichstromfreien mehrpegeligen Blockcodes aus einem binären Signal anzugeben,
das mit nur sehr wenig sende-und empfangsseitigem Aufwand anwendbar ist und somit
zu einfachen Codierern und Decodierern führt.
-
Die Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art durch
die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst. Mit der erfindungsgemäßen
Lösung ist nunmehr eine einfache Codierung und Decodierung mehrpegeliger gleichstromfreier
Blockcodes möglich. Als Elementarcodes lassen sich bekannte, günstige Code mit niedriger
Pegelzahl, beispielsweise mit 2 oder 3 Pegeln, verwenden. Bezüglich der Redundanz
ist der erfindungsgemäße Mehrpegel-Code genauso günstig wie die verwendeten Elementarcodes.
-
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind
in den Unteransprüchen angegeben. Bei Ausgestaltung der brfindllag nach Anspruch
2 lassen sich Codierer und Decodierer für die einzelnen Teilsignalfolgen in Zeitmultiplex
ausnützen, wodurch dann nur ein Elementarcodierer sendeseitig und ein Rlementardecocierer
empfangsseitig erforderlich sind.
-
Höherpegelige gleichstromfreie Blockcodes lassen sich durch die im
Anspruch 3 angegebene Weiterbildung aus einer einzigen
oder aus
mehreren binären Signalfolgen bilden0 Die Erfindung wird nun anhand von Tabellen
und Ausführungsbeispielen näher erläuterte Es zeigen: Figur 1: Schaltung für einen
Codierer zur Erzeugung der letzten 4 Codewortstellen eines Codes gemäß Tabelle 1
der Beschreibung für den pall9 daß die ersten beiden Stellen des Codewortes gleich
sind Im ersten Beispiel sei angenommen, daß der gleichstromfreie Mehrpegelcode (MPC)
durch Addition von jeweils in sich gleichstrom freien Codewörtern erzeugt wird.
Von der zu codierenden binären Quellsignalfolge werden im Beispiel jeweils 8 Bit
in m = 2 Teilsignalfolgen S1 und 52 zu Je n - 4 binären Zeichen zerlegt. Die beiden
Teilsignalfolgen werden nun mit Elementarcodes niedriger Pegel zahl p gleichstromfrei
codiert Als Elementarcode werde der gleichstromfreie (3) Code verwendet, in welchem
je Codewort drei logische "1" und drei logische "0" vorkommen. Es existieren insgesamt
20 verschiedene gleichstromfreie Codewörter der Lange 6.
-
Zweckmäßigerweise verwendet man hiervon die Codewörter 010101;0110110
und deren komplemtäre Codewörter, die dadurch entstehen, daß die "1" und "0" vertauscht,
werden, nicht zur Quellcodierung, so daß 16 Codewörter übrig bleiben0 Die nicht
verwendeten
Codewörter, insbesondere das Codewort 01010i sind in vorteilhafter Weise zur Synchronisation
einsetzbar.
-
Mit den verbleibenden 16 Codewörtern lassen sich nun jeweils 4 binäre
Zeichen der Teilsignalfolgen (Quellwörter) beispielsweise wie folgt codieren.
-
Tabelle 1 Quellwort Codewort 0000 000111 0001 001011 0010 001101 0011
001110 0100 010011 0101 010110 0110 011001 0111 011100 1000 100011 1 1 Tabelle 2
binäre Signalfolge CW Faktor MPC 0111 1010 011100 1 101001 2 213102
Für
die komplementären Quellwörter werden die komplementären Codewörter des jeweiligen
Quellwortes verwendet So gehört beispielsweise zum Quellwort 1110 (Komplement von
0001) das Codewort 110100 (Komplement von 001011) Die beiden Teilsignalfolgen 51
und 82 werden nun als Quellwörter behandelt und das jeweilige Codewort des Elementarcodes
ermittelt0 Dies ist beispielsweise in Tabelle 2 gezeigt Hat folglich die zu codierende
binäre Signalfolge die Zeichen folge 01111010 (im Beispiel werden nur 8 Zeichen
zu Zeichen der binären Folge betrachtet), so gehört zur ersten Teilsignalfolge S1
0111 gemäß Tabelle 1 das Elementarcodewort (Ct4) 011100 und zur zweiten Teilsignalfolge
52 - 1010 des zum Quellsignal 0101 komplementäre Elementarcodewort 101001 Die Codewörter
des Elementarcodes werden nun mit m = 2 verschiedenen, während des gesamten Codierungsvorgangs
zeitlich konstanten Amplitudenfaktoren miltipliziert und jeweils die mit den Faktoren
multiplizierten m G 2 Elementarcodewörter zur Bildung des gewünschten gleichstromfreien
Mehrpegelcodewortes (MPC) addiert, Dieses Vorgehen zeigt ebenfalls Tabelle 2. Für
das erste Elementarcodewort wurde der Faktor 1 und für das zweite Elementarcodewort
der faktor 2 gewählt Es entsteht so das vierpegelige Codewort 213101.
-
Die Gleichstromfreiheit des Mehrpegelcodewortes laBt sich am einfachsten
dadurch erkennen, daß man den Zeichen des Elementarcodes die Amplitudenwerte -1
für "0" und +1 für "1" zuordnet. Nach Multiplikation mit den angegebenen Faktoren
und Aussummierung erhält man dann als AMplitudenwerte des Mehrpegelcodeworte s 1,
-1, +3, -1, -3, +1.
-
Der Mittelwert der implitudenwerte ist, wie leicht ersichtlich ist,
0.
-
Im Beispiel wurden jeweils 8 Zeichen der binären zu codierenden Signalfolge
in 6 4-pegelige Zeichen mit folgenden Eigenschaften codiert: jedes Codewort aus
6 4-pegeligen Zeichen ist in sich gleichstromfrei. Es folgen höchstens 6 gleiche
Zeichen aufeinander.
-
Wird statt des Elementarcodewortes 011010 und des Komplements das
Codewort 000111 und dessen Komplement ausgelassen, so folgen in vorteilhafter Weise
für die Taktsynchronisierung höchstens 4 gleiche Zeichen aufeinander. Wird bei der
Vbertragung ein Zeichen des mehrpegeligen Codes verfälscht, so ist das empfangene
Codewort nicht mehr gsichstromfrei. Dadurch ist ein Fehler pro Codewort auf der
Empfangsseite leicht erkennbar. Zur Synchronisation wird in vorteilhafter Weise
die Kombination 010101 010110 als eindeutiges Synchronisationsmuster verwendet.
Diese Kombination ist in sofern vorteilhaft, weil das Codewort 010101 bei der Codierung
der Teilsignalfolgen nicht verwendet wird und diese Kombination fünfmal hintereinander
den Ol-Wechsel, der günstig für die Bitsynchronisation ist, aufweist.
-
Wird die Codierung nach dem Prinzip einer Codewortliste durchgeführt,
so genügt eine Liste von 8 Wörtern, da ein mit "1" beginnendes Quellwort lediglich
invertiert werden muß, um das Komplement des gesuchten Codewortes zu finden. Bei
Erzeugung der 4-pegeligen Codewörter ohne Vberlagerung wäre dagegen eine Liste von
128 Wörtern erforderlich.
-
Im Beispiel wurden 2 eilsignalfolgen S1 und S2 einer einzigen binären
Signalfolge zu einem gleichstromfreien mehrpegeligen Codewort zusammengesetzt. Selbstverständlich
können auch
2 oder mehrere binäre Signalfolgen von 2 bzw mehreren
Signalquellen mit Codewörtern von Elementarcodes niedriger Pegelzahl gleichstromfrei
codiert und zu einem gleichstromfreien mehrpegeligen Codewort zusammengesetzt werden
Die in Tabelle 1 dargestellte Umcodierung hat den Vorteil, daß sie sich auch schaltungstechnisch
einfach realisieren läßt.
-
Ein Vergleich zeigt, daß die ersten beiden Stellen eines Codewortes
gleich den ersten beiden Stellen des dazugehörigen Quellwortes sind. Falls die ersten
beiden Bits verschieden sind, werden auch Bit Nr. 3 und Bit Nr. 4 des Quellwortes
direkt in das Codewort übernommen. Bit Nr 5 ist das Komplement von Bit Nr. 3, Bit
6 ist das Komplement von Bit Nr. 4 Für den Fall, daß die ersten beiden Stellen des
Codewortes gleich sind, zeigt Fig. 1 eine Schaltung für einen Codierer, die die
letzten 4 Codewortstellen eines Codes gemäß Tabelle 1 erzeugt.
-
Hierzu wird das Quellwort in einen 4-stuSigen Speicher 1 gelesen.
Der Inhalt seiner letzten und vorletzten Speicherstufe wird mit dem Zählerstand
eines Nodulo-4-Zählers 3 durch einen Vergleicher 2 verglichen, der nur bei Gleichheit
der Signale an seinen Eingängen an seinen Ausgang A2 eine logische "1" abgibt. Die
Signale des Ausgangs des Vergleichers 3 und der zweiten Speicherstufe des Speichers
1 werden in einem Squivalenzglied 4 verglichen, das bei Gleichheit seiner Eingangssignale
an seinem Ausgang A4 ebenfalls eine logische "1" zeigt Die Funktion der Schaltung
sei am Beispiel des Quellwortes 0010, welches gemäß Tabelle 2 in das Codewort 001101
zu codieren ist, erläutert. Der binäre Modulo-4-Zähler 3 wird beim Einschalten des
Codierers auf den Zählerstand "1182 gestellt.
-
Anschließend werden die vier binären Zeichen q1 = 0, q2 = 0, q3 =
1 und q4 = 0 des zu codierenden Quellwortes in den Speicher 1 gelesen und der Zähler
vom Takt eines Taktgenerators um eine Einheit weit@rgeschaltet 9 so daß sein
Zählerstand
"00" wird. Nach einer Verzögerung um die Zeit So erfolgt
in dem Vergleicher 2 der Vergleich von q3, q4 ("10") mit dem Zählerstand "00".
-
Der Vergleicher 2 liefert an seinem Ausgang "0" und da q2 im Beispiel
ebenfalls "0" ist, liefert der Ausgang des Äquivalenzgliedes 4 eine "1" für c3 (3.
Stelle des gesuchten Codewortes).
-
Die Vorgänge während der ersten Taktschritte sind in Tabelle 3 zusammengestellt.
-
Tabelle 3 Takt q1 q2 q3 q4 a b A2 1 0 0 1 0 00 0 1 2 01 0 1 3 10 1
0 4 11 0 1 5 neues Quellwort 00 0 Während der Takte 1 bis 4 sind folglich dem Ausgang
A4 des Äquivqlenzgliedes 4 die rstlichen 4 Zeichen c3 = 1, c4 = 1, c5 = 0, c6 =
1 des Codewortes 001101 zum Quellenwort 0010 entnehmbar, Bei Takt 5 ist der Zähler
3 in vorteilhafter Weise wieder in der 1. Stellung zum Vergleich der beiden letzten
Stellen eines neuen Quellwortes.
-
Im nächsten Beispiel soll gezeigt werden, wie mittels eines Bimode-Codes
gleichstromfreie mehrpegelige Codewörter gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugbar
sind. Hierzu wird ein elementarer Code verwendet, bei dem Teilsignalfolgen zu jeweils
m Bit zur Verdoppelung des Codewort--Vorrates in Elementarcodewörtern von (m + 1)
Bit codiert werden.
-
Im Beispiel sei m = 4. Zur einfachen Codierung werden die ersten
4 Bit der Teilsignalfolge unverändert in des Elementarcodewort übernommen und das
So Bit des Elementarcodewortes "1" gesetzt. Es entsteht so die Normalform der Elementarcodewörter.
Als 2. Form der Elementarcodewwörter wird das Komplement der jeweiligen Normalform
verwendet.
-
Für jede Teilsignalfolge (Quellwort) gibt es folglich zwei verschiedene
Codewörter, die zueinander Komplemtär sind un sich dadurch in der Anzahl der Einsen
unterscheidet Bei der Codierung wird die Bilanz der Nullen und Einsen ständig überwacht
und von den beiden jeweils zur Verfügung stehenden Codewörten dasjenige ausgewählt,
daß die Bilanz der Nullen und Einsen möglich klein hält, so daß auf diese Weise
die Gleichstromfreiheit der übertragenen Zeichen gewährleistet ist, Tabelle 4 zeigt
einen Ausschnitt aus der Codierungsliste.
-
Tabelle 4 Quellwort Codewörter 0000 00001 Normalform 11110 Komplementärform
0001 00011 11100 0010 00101 11010 00110 11000 U8Wo
Die zu einem
Quellwort gehörenden beiden möglichen Formen der Elementarcodewörter sind in der
Tabelle 4 untereinander geschrieben.
-
Soll beispielsweise die binäre Signalfolge 0000 0001 0000 codiert
werden, wobei als Amplitudenwerte für "0" wieder -1 und für ?1" wieder +1 gewählt
werden, so ist, wenn als erstes Codewort 00001 gewählt wird, die Bilanz, also die
Summe der Amplitudenwerte (-4 +1) = -3.
-
Für das zweite Codewort 0001 wird daher die Möglichkeit mit der größeren
Anzahl von Einsen, also 11100 verwendet. Damit wird die neue Bilanz (-3) + (3-2)
= -2.
-
Entsprechend wird nun für das dritte Quellwort 0000 das Codewort 11110
verwendet, so daß als neue Bilanz entsteht (-2) + (4-1) = +1.
-
Somit ergibt sich als Codewortfolge für den Elementarcode 00001 111100
11110 Werden nun eine zweite binäre Signalfolge oder ggf. mehrere Signalfolgen auf
die gleiche Weise gleichstromfrei codiert, so entsteht nach Multiplikation der jeweiligen
Elementarcodes mit verschiedenen implitudenfaktoren und Addition der multiplizierten
Elementarcodewörter der gewünschte gleichstrom-
freie mehrpegelige
Blockoode.
-
In diesem Fall wurden bei der Zusammenfassung zweier binärer Bignalfolgen
zwei 4-Bitquellwörter mit lediglich 5 vierpegeligen Zeichen codiert Die Gleichstromfreiheit
ist jeweils nach spätestens 3 aufeinanderfolgenden Mehrpegelcodewörtern erreicht.
Es folgen höchstens 6 gleiche Pegel hintereinander.
-
Im nächsten Ausführungsbeispiel wird ein abgewandelter Bimode-Code
als Elementarcode verwendet, der ebenfalls leicht erzeugbar ist. Bei diesem werden
jeweils 3 Bit einer binäre Quellaignalfolge in 2 vierpegeligen Zeichen codiert und
für jedes zu codierende Quellwort , wie Tabelle 5 zeigt, 2 Teilpegelfolgen C1 und
C2 verwendet.
-
Tabelle 5 Quellwort C1 C2 111 10 10 110 10 00,11 101 10 100 00,11
10 011 00,11 01 010 01 50 001 01 00,11 000 01 Für die Teilpegelfolgen gibt es folglich
nur die Elementarcodewörter 10, 01 und 00 bzw. 11, wobei zwischen den Codewörtern
00 und 11 zur Erzielung der Gleichstromfreiheit,wie im zweiten Ausführungsbeispiel
bereits erläutert, abgewechselt wird. Dabei wird sowohl in der Teilpegelfolge C1
als auch in der Teilpegelfolge C2 die Bilanz der Nullen undEinsen überwacht. Das
sei an einem Beispiel
näher erläutert.
-
Zur Codierung einer binären Signalfolge 011 110 100 001 ergibt sich
folglich die i.n Tabelle 6 gezeigte Auswahl von Teilpegelfolgen Cl und C2.
-
Tabelle 6 QW C1 C2 T1 T2 Sul Su2 011 00 01 -2 0 -2 0 110 10 00 0 -2
-2 -2 100 11 10 2 0 0 -2 001 01 11 0 2 0 0 Hierbei sind T1 und T2 die jeweilige
Summe der Amplituden der Teilpegelfolge C1 bzw. C2 und Su1 und Su2 die Bilanz der
Einsen und Nullen der Pegel der Teilpegelfolgen C1 bzw. C2 unter Berücksichtigung,
üaß für eine logische "0" die Amplitude -1 und für eine logische "1" die Amplitude
+1 gesetzt wurde.
-
Werden nun beispielsweise die Pegel bzw. die Amplituden der Teilpegelfolge
C1 mit dem Faktor 1 und die der Teilpegelfolge C2 mit dem Faktor 2 multipliziert,
so entstehen zunächst die multiplizierten Teilpegelfolgen PC1 und PC2 bzw. AC1 und
AC2 wie in Tabelle 7 angegeben. Durch stellenweise Addition der beiden Folgen PC1
und PC2 bzw. AC1 und AC2 entsteht der gleichstromfreie mehrpegelige Blockcode MP
bzw. AP gemäß Tabelle 7.
-
Tabelle 7 CW C1 C2 PC1 PC2 MP AC1 AC2 AP 011 00 01 00 02 02 -1-1 -2+2
-3+1 110 10 00 10 00 10 +1-1 -2-2 -1-3 100 11 10 11 20 31 +1+1 +2-0 +3-1 001 01
11 01 22 23 -1+1 +2+2 -3+3
Aus der binären Signalfolge 011 110
100 001 ist folglich gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren die mehrpegelige Codewortfolge
0, 2; 1, 0; 3, 1; 2, 3; bzw.
-
-3, +1; -1, -3; +3, -1; -3, +3; entstanden, wobei die jeweiligen
Blöcke durch ein ";" getrennt geschrieben wurden.
-
Der so entstandene Code hat die vorteilhaften Eigenschaften, daß jeweils
eine Teilsignalfolge von 3 Bit einer binären Signalfolge in 2 vierpegelige Zeichen
(z.B. 0, 1, 2, 3 bzw.
-
-3, -1, +1, +3) gleichstromfrei codierbar ist. Es sind in diesem Fall
also keine zwei Teilsignalfolgen zur Erzeugung eines mehrpegeligen gleichstromfreien
Codes erforderlich. Wie Untersuchungen zeigen, folgen im so erzeugten 4 pegeligen
Code höchstens vier gleiche Zeichen aufeinander.
-
Die in den Beispielen erzeugten mehrpegeligen gleichstromfreien Blockcodes
lassen sich in einfacher Weise nochmals nach dem erfindungsgemäßen Verfahren überlagern.
Hierzu werden die gemäß den Beispielen erzeugten Mehrpegelcodes wieder als gleichstromfreie
Elementarcodes niedriger Pegelzahl betrachtet und nach Multiplizieren mit verschiedenen
zeitlich~ konstanten Amplitudenfaktoren zur Bildung eines höherwertigen Mehrpegelcodes
addiert, der in vorteilhafter Weise wieder gleichstromfrei ist.
-
Leerseite