伝送路符号
伝送路符号（でんそうろふごう）またはライン符号（line code）とは、データ伝送路を介してデジタル信号を伝送する際に、デジタル信号をデータ伝送路の特性に適した電圧・電流または光子のパルス波形に変換するための符号である[1]。伝送路符号は、デジタルデータ転送によく使用される。一部の伝送路符号は、デジタルベースバンド変調またはデジタルベースバンド送信であり、回線が直流成分を搬送できるときに使用されるベースバンド伝送路符号である。
伝送路符号の一般的なタイプは、単極符号・両極符号・マンチェスタ符号である。
概要
受信機で信頼できるクロック復元を行うために、通常、生成されたチャネルシーケンスに最大ランレングス制約を課す。すなわち、連続する1または0の最大数を妥当な数に限定する。受信されたシーケンス内の遷移を観測することによって、クロック期間が復元される。最大ランレングスがそのようなクロック復元を保証する。このような制約のないシーケンスは検出品質を著しく損なう可能性がある。
伝送路符号化の後、信号は、伝送媒体・データ記憶媒体のいずれかの「物理チャネル」に入力される[2][3]。2種類の物理チャネルは、一見大きく異なって見えるが、同じ伝送路符号が使用されるほど、特性が類似していることがある。
最も一般的な物理チャネルは次の通りである。
- 伝送路符号化された信号は、電圧または電流の変動の形で（しばしば差動信号を使用して）伝送線路上に流すことができる。
- 伝送路符号化された信号（ベースバンド信号）は、周波数帯域幅を減少させるためにさらにパルス整形され、変調されて（周波数をシフトさせて）、自由空間を介して送信可能な「RF信号」を生成する。
- 伝送路符号化された信号を使用して、赤外線遠隔制御で最も一般的に使用される自由空間光通信の光源をオン・オフすることができる。
- 伝送路符号化された信号を紙に印刷してバーコードを作成することができる。
- 伝送路符号化された信号をハードドライブまたはテープドライブ上の磁化されたスポットに変換することができる。
- 伝送路符号化信号を光ディスク上のピットに変換することができる。
一般的なバイナリ伝送路符号には、次のものがある。
| 符号 | 備考 |
|---|---|
| NRZ–L | "Non-return-to-zero level"の略。デジタル回路で使用される標準的な正論理信号形式。 1を高レベル、0を低レベルで表す。 |
| NRZ–M | "Non-return-to-zero mark"の略。 1をレベルの遷移で表し、0は何もしない（前のレベルを保つ）。 |
| NRZ–S | "Non-return-to-zero space"の略。 0をレベルの遷移で表し、1は何もしない（前のレベルを保つ）。 |
| RZ | "Return-to-zero"の略。 1は周期の半分を高レベル、周期の残りを低レベルで表し、0は全周期低レベルで表す。 |
| Biphase–L | マンチェスタ符号。同じビットが連続する場合、ビット周期の開始時にレベルの遷移が行われる。 1はビット周期の中間での高レベルから低レベルの遷移で表し、0はビット周期の中間での低レベルから高低レベルの遷移で表す。 |
| Biphase–M | 差動マンチェスタ符号の変種。各ビット周期の開始時に必ずレベル遷移が行われる。 1はビット周期の中間にレベル遷移があることで表し、0はビット周期の中間にレベル遷移がないことで表す。 |
| Biphase–S | トークンリングで使用される差動マンチェスタ符号。各ビット周期の開始時に必ずレベル遷移が行われる。 1はビット周期の中間にレベル遷移がないことで表し、0はビット周期の中間にレベル遷移があることで表す。 |
| Bipolar | 正と負のパルスが交互に現れる。 1は周期の半分を正または負のレベル、周期の残りを0レベルで表し、0は全周期0レベルで表す。 |
それぞれの伝送路符号には長所と短所がある。使用する伝送路符号は、次の基準の1つ以上を満たすように選択される。
- 伝送ハードウェアを最小限に抑える
- 同期を容易にする
- エラー検出と修正を容易にする
- スペクトル成分を最小限に抑える
- 直流成分を除去する
ディスパリティ
ビットパターンのディスパリティ（disparity:不均衡性）は、ビットパターン中の1のビットの数と0のビットの数の差である。ランニングディスパリティ(running disparity)は、それ以前に送信された全ての信号のディスパリティの合計である[4]。
ほとんどの長距離通信路は、直流成分を確実に伝送することができない。可能な限り単純な伝送路符号である単極符号は、無制限の直流成分を持っているため、このようなシステムでは非常に多くのエラーが発生する。
ほとんどの伝送路符号は直流成分を除去する。そのような符号は直流平衡(DC-balanced)と呼ばれる。直流成分を除去するには、次の3つの方法がある。
- 定重み符号を使用する。送信されるコードワードは、各コードワードの平均レベルがゼロになるように十分な反対のレベルを含むように修正される。このような符号には、マンチェスタ符号やITFコードがある。
- 対ディスパリティ符号を使用する。送信機は、平均レベルが負のレベルにある全てのコードワードが、平均が正のレベルにある別のコードワードと対になるようにする。従って、送信中の直流レベルを追跡し、常に直流レベルを0に戻すコードワードを選択する必要がある。受信機は、その対のいずれかの符号語が同じデータビットに復号するように設計されている。このような符号には、AMI(Alternate Mark Inversion)[5]、8b/10b、4B3Tなどがある。
- スクランブラを使用する。例えば、64b/66bの場合は、 RFC 2615 でスクランブラが指定されている。
極性
両極符号は2つの極性を持ち、一般にRZとして実装され、3つの異なる出力レベルがあるため、3の基数を持つ。このタイプの符号の主な利点の一つは、直流成分を完全に排除できることである。これは、信号が変圧器や長い伝送路を通過しなければならない場合に重要である。
ただし、いくつかの長距離通信チャネルは極性があいまいである。これを補うために、極性に非感受性な伝送システムが設計されている[6][7][8][9]。 そのようなチャネルを介して0や1のビットを確実に受信するために、以下の3つの方法がある。
- 各コードワードをそのコードワードの極性反転と対にする。受信機は、対のいずれかのコードワードが、同じデータビットに復号するように設計される。このような符号化には、alternate mark inversion、差動マンチェスタ符号化、CMI符号、遅延符号化などがある。
- 前のシンボルに対する各シンボルの差動符号化を使用する。このような符号化には、MLT-3、NRZIなどがある。
- 反転されたプリアンブルが検出されたときにストリーム全体を反転する。
同期
伝送路符号は、受信側で受信信号の位相に自身を同期させることが可能であるようにすべきである。同期が理想的でない場合、復号された信号は、伝送路符号で使用される数字や記号間の最適な差（振幅）を有しない。 これにより、受信データの誤りの確率が増加する。
二位相伝送路符号(biphase line code)は、ビット時間当たり少なくとも1つの遷移を必要とする。これにより、送受信機の同期化とエラー検出が容易になるが、ボーレートはNRZコードよりも高くなる。
その他の考慮事項
伝送路符号はエラー検出を可能にする構造を有することが好ましい。伝送路符号化された信号と、端末で生成された信号とは異なる可能性があり、したがって変換が必要であることに留意されたい。
良く使われる伝送路符号
- AMI
- 修正AMI符号: B8ZS, B6ZS, B3ZS, HDB3
- 2B1Q
- 4B5B
- 4B3T
- 6b/8b
- ハミング符号
- 8b/10b
- 64b/66b
- 128b/130b
- CMI符号
- EFM変調（CDで使用される）
- EFMPlus（DVDで使用される）
- RZ – Return-to-zero
- NRZ – Non-return-to-zero
- NRZI – Non-return-to-zero, inverted
- マンチェスタ符号と、その変種である差動マンチェスタ符号・BMC符号
- 遅延符号化・Modified Frequency Modulation
- MLT-3符号
- Hybrid Ternary Code
- TC-PAM
光通信の通信路符号:
- Carrier-Suppressed Return-to-Zero
- Alternate-Phase Return-to-Zero
- Three of Six, Fiber Optical (TS-FO)
関連項目
出典
- ^ JIS X 0009:1997 情報処理用語（データ通信） 09.05.01
- ^ Karl Paulsen. "Coding for Magnetic Storage Mediums".2007.
- ^ Abdullatif Glass; Nidhal Abdulaziz; and Eesa Bastaki (2007), “Slope line coding for telecommunication networks”, IEEE International Conference on Signal Processing and Communication (Dubai: IEEE), "Line codes ... facilitates the transmission of data over telecommunication and computer networks and its storage in multimedia systems."
- ^ Jens Kröger. "Data Transmission at High Rates via Kapton Flexprints for the Mu3e Experiment". 2014. p. 16
- ^ 伝送路符号 http://www.lineeye.co.jp/html/term_denso.html
- ^ Peter E. K. Chow. "Code converter for polarity-insensitive transmission systems". 1983.
- ^ David A. Glanzer, Fieldbus Foundation. "Fieldbus Application Guide ... Wiring and Installation". Section "4.7 Polarity". p. 10
- ^ George C. Clark Jr., and J. Bibb Cain. "Error-Correction Coding for Digital Communications". 2013. p. 255. quote: "When PSK data modulation is used, the potential exists for an ambiguity in the polarity of the received channel symbols. This problem can be solved in one of two ways. First ... a so-called transparent code. ..."
- ^ Prakash C. Gupta. "Data Communications and Computer Networks". 2013. p. 13. quote: "Another benefit of differential encoding is its insensitivity to polarity of the signal. ... If the leads of a twisted pair are accidentally reversed..."
この記事にはパブリックドメインである、アメリカ合衆国連邦政府が作成した次の文書本文を含む。Federal Standard 1037C. アメリカ合衆国連邦政府一般調達局.（MIL-STD-188内）
