一種5B6B 編碼改進(jìn)技術(shù)

王延年，陳苗苗

(西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院，西安 710048)

1 引言

光纖數(shù)字通信中傳輸碼型眾多，其傳輸碼型的優(yōu)劣對光纖通信系統(tǒng)的影響很大。目前光纖數(shù)字傳輸系統(tǒng)中大多采用兩電平碼作線路傳輸碼，以適應(yīng)光纖傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，使用比較廣泛的一種線路碼型就是5B6B 碼。為了使數(shù)據(jù)經(jīng)5B6B 編碼后在0 和1之間變換的密度高，其編碼復(fù)雜性和比特冗余度之間達(dá)到最合理的折中，但目前還沒有一種5B6B 編碼方案是十全十美的。以下從體現(xiàn)編碼優(yōu)劣的兩方面即連碼數(shù)和誤碼擴(kuò)散數(shù)討論了兩種編碼方案，通過對一種5B6B 編碼方案的改進(jìn)，有效降低了碼流中最長連碼數(shù)和誤碼擴(kuò)散，定時(shí)信息豐富。

2 mBnB 碼編碼原理

mBnB 碼是把輸入的二進(jìn)制原始碼流進(jìn)行分組，每組有m個(gè)二進(jìn)制碼，記為mB，稱為一個(gè)碼字，然后把一個(gè)碼字變換為n個(gè)二進(jìn)制碼，記為nB，并在同一個(gè)時(shí)隙內(nèi)輸出。這種碼型是把mB 變換為nB，所以稱為mBnB 碼，其中m 和n 都是正整數(shù)，n ＞m，一 般 選 取n=m+1。mBnB 碼 有1B2B、3B4B、5B6B、8B9B、17B18B 等等。

作為普遍規(guī)則，引入“碼字?jǐn)?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?jǐn)?shù)字和”，是在nB 碼的碼字中，用“－1”代表“0”碼，用“+1”代表“1”碼，整個(gè)碼字的代數(shù)和即為WDS。如果整個(gè)碼字“1”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(fù);如果“0”碼和“1”碼的數(shù)目相等，則WDS為0。

3 5B6B 編碼

3.1 5B6B的兩種編碼方案

5B6B 碼是mBnB 分組碼的一種，即把5位的二進(jìn)制信源碼變?yōu)? 位二進(jìn)制的線路碼。5B 共有(2的5 次方)32個(gè)碼字，變換6B 碼時(shí)共有(2的6 次方)64個(gè)碼字，64個(gè)碼字按照碼字?jǐn)?shù)字和(WDS)區(qū)分為均勻碼與非均勻碼。WDS=0的為均勻碼，非均勻碼又分為正負(fù)兩種模式，WDS=+2的為正模式，WDS=－2的為負(fù)模式。由于信源碼和線路碼的個(gè)數(shù)不等，將5 比特的信源碼轉(zhuǎn)換為6 比特的線路碼時(shí)，在滿足基本線路碼的要求下，有多種編碼方案。設(shè)計(jì)編碼方案時(shí)一般要考慮一下原則:不含直流，且低頻分量盡量少;應(yīng)含有豐富的定時(shí)信息，以便于從接收碼流中提取定時(shí)信號(hào);具有內(nèi)在的檢錯(cuò)能力，碼型應(yīng)具有一定的規(guī)律性，以便利用這一規(guī)律性進(jìn)行宏觀監(jiān)測;編譯碼簡單，以降低通信延時(shí)和成本。

表1 5B6B 編碼方案一

表1的編碼方案中，其中WDS=0的碼字有20個(gè)，WDS=+2的碼字有15個(gè)，WDS=－2的碼字有15個(gè)，因此共有50個(gè)|WDS|最小的碼字供選擇。由于變換為6B時(shí)只需32個(gè)碼字，為減少連“1”和連“0”的數(shù)目，刪去:000011、110000、001111 和111100，同時(shí)禁用|WDS|=4 和6的碼字。按照此編碼方式，采用了6B 碼中的20個(gè)均勻碼，12 對正負(fù)不均碼，剩余的沒有定義，最大連碼數(shù)為6。

表2 5B6B 編碼方案二

表2的編碼方案是表1 編碼方案的改進(jìn)。在表1 中，連碼最長數(shù)出現(xiàn)在碼字000111、111000 和其它碼字相連時(shí)，此時(shí)最長連碼數(shù)為6，由于消息碼中包含長串的連續(xù)“1”或“0”符號(hào)時(shí)，非歸零波形呈現(xiàn)出連續(xù)的固定電平，因而無法獲取定時(shí)信息。為了減少最長連碼數(shù)，在表2 中，選取了20個(gè)均勻碼，13對正負(fù)不均勻碼，余下沒有用到的18個(gè)碼字作為禁字，碼字001100 和110011的引入解決了碼字000111、111000相連的問題，不會(huì)出現(xiàn)連碼為6的情況，最大連碼數(shù)下降為5，接收到禁用碼組時(shí)表明傳輸過程出現(xiàn)錯(cuò)誤，從而提高了系統(tǒng)的檢錯(cuò)能力。

3.2 改進(jìn)前后兩種編碼方案的比較與分析

衡量一種線路碼好壞與否，主要看它是否限制了碼流中長連“0”和連“1”的數(shù)目，是否可使線路簡單而傳輸更為有效，是否使基線漂移小，是否降低了誤碼擴(kuò)散。按照表1的編碼方式，最長連碼數(shù)為6，在模式二中序號(hào)0，1的碼字和000111相連用的情況下，此時(shí)最長連0為6，累計(jì)不均取負(fù)向最大值－8。在模式一中序號(hào)0，1，3的這三個(gè)碼字與碼字111000相連用的情況下，此時(shí)最長連1 數(shù)為6，累計(jì)不均取正向最大值+8，按此方式編碼，最長連碼數(shù)為6，累計(jì)不均值為±8。表2的編碼方式是對表一編碼方式的改進(jìn)。此方案考慮了最長連碼數(shù)和累計(jì)不均值，解決了000111 和111000相連的情況，把碼字000111 限制在模式二中，碼字111000 限制在模式一中。當(dāng)碼字000111、111000 和其它碼字相連時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)連碼數(shù)為6的情況，此時(shí)最大連碼數(shù)下降為5，累計(jì)不均最大數(shù)下降為±4。此外，在編碼方式的設(shè)計(jì)中，要考慮線路碼與信源碼、線路碼與線路碼之間的相似關(guān)系，盡可能地降低誤碼擴(kuò)散。在這兩種編碼方式中，采用的都是兩種模式交替的方式，當(dāng)線路碼為不均勻碼時(shí)，采用的是正負(fù)兩種模式輸出，當(dāng)0 碼的個(gè)數(shù)小于1 碼的個(gè)數(shù)時(shí)線路碼為正模式，當(dāng)0 碼的個(gè)數(shù)大于1 碼的個(gè)數(shù)時(shí)線路碼為負(fù)模式。在方案一中，同一信源碼的兩個(gè)不均勻線路碼相差很大，模式一的線路碼和模式二的線路碼互為反碼。這種編碼方式誤碼擴(kuò)散最大，因?yàn)閮蓚€(gè)線路碼相差很大，沒有相似之處，只有當(dāng)模式一的正不均勻碼全部誤碼出現(xiàn)6 比特的誤碼時(shí)，才與模式二的線路碼相同，此時(shí)誤碼擴(kuò)散為零，而這種情況幾乎很難發(fā)生。而在編碼方式二中，一個(gè)信源碼對應(yīng)的兩個(gè)不均勻碼是相似的，當(dāng)出現(xiàn)2 比特的誤碼時(shí)，誤碼擴(kuò)散為零的概率可達(dá)0.1，相比編碼方式一，編碼方式二的誤碼擴(kuò)散系數(shù)明顯下降，定時(shí)信息豐富，顯然方式二優(yōu)于方式一。

4 基于matlab的實(shí)現(xiàn)

按照編碼表2的編碼方式，編碼過程，隨機(jī)產(chǎn)生一64*5 矩陣代表原始的輸入5B 碼流，然后按順序?qū)⑦@些碼字轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制即為對應(yīng)6B的地址。若對應(yīng)的6B 碼WDS=0 則直接輸出模式1，若不是0即為不均勻碼時(shí)則交替輸出模式1 和模式2。見圖1 所示。

最終各碼字對應(yīng)WDS 代數(shù)和:SumWDS=0

運(yùn)行結(jié)果如表3 所示。

圖1 5B6B 編碼

表3 編碼結(jié)果

由運(yùn)行結(jié)果看，采用改進(jìn)后的編碼方案，當(dāng)5B的信源碼組變換為6B 線路碼時(shí)，按照兩種模式交替的方式，信源碼10101 對應(yīng)6B的模式一為010101 WDS=0 故直接輸出;當(dāng)信源碼為10010，此時(shí)對應(yīng)6B的模式一為111010，WDS=2，因這是第一次WDS=2的輸出故直接輸出模式一;信源碼是11110，對應(yīng)6B的模式一為001100，WDS=－2，因上次WDS=2 輸出為模式一，故此次輸出為模式二，即001100，且最長連碼數(shù)為5，這種編碼方式使得最終碼字對應(yīng)的代數(shù)和為0 從而保證了足夠的定時(shí)信息和盡量少的直流分量。

5 結(jié)束語

5B6B 碼是西歐廣泛應(yīng)用的一種碼型，對于mBnB 線路碼型的最大優(yōu)點(diǎn)就是最大相同碼元連碼和小、定時(shí)信息豐富、并且有簡單成熟的誤碼監(jiān)測與碼組同步的方法。通過對一種5B6B 編碼的改進(jìn)，采用兩種模式交替的編碼方法，在滿足基本的線路碼編碼要求下，有效降低了誤碼擴(kuò)散系數(shù)和最大連碼數(shù)，保證WDS 之和最小從而保證了足夠的定時(shí)信息和盡量少的直流分量。

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