Кодирующие устройства широтно-манипулированных кодов. Способы преобразования самосинхронизирующихся кодов. Часть 3

Кроме фазовой [1] и частотной [2] манипуляции, для построения самосинхронизирующихся кодов можно использовать также и другие виды манипуляции, в частности, широтно-импульсную (широтную) манипуляцию.

Основным вариантом широтно-манипулированного кода можно считать широтно-манипулированный код с постоянной тактовой частотой (ШМ-ПЧ). В этом случае тактовый перепад положительной полярности формируется в начале каждого тактового интервала, информационный перепад отрицательной полярности формируется внутри тактового интервала. Оба перепада являются обязательными. При передаче «лог. 0» информационный перепад располагается в первой половине тактового интервала, а при передаче «лог. 1» — во второй половине тактового интервала. При этом в начале каждого тактового интервала формируется положительный импульс «лог. 0» или «лог. 1».

Соотношение длительностей импульсов «лог. 1» и «лог. 0» широтно-манипулированного кода может принимать разные значения, однако наиболее приемлемыми для практического использования представляются код ШМ2-ПЧ, когда указанное соотношение равно 2, и ШМ3-ПЧ, когда указанное соотношение равно 3. Элементы кодов ШМ2-ПЧ и ШМ3-ПЧ показаны на рис. 1а и б соответственно. В первом случае тактовый интервал разбивается на 3 равных участка, а во втором — на 4 участка, что согласуется с двоичной системой счисления. Достоинством кода ШМ2-ПЧ можно считать меньшее время передачи одного разряда кода. Постоянная составляющая формируемых сигналов ШМ2-ПЧ может изменяться от 2А/3 при передаче сигналов «лог. 1» до А/3 при передаче сигналов «лог. 0», где А — уровень «лог. 1». При использовании кода ШМ3-ПЧ постоянная составляющая может изменяться от 3А/4 до А/4. Указанное свойство кода ШМ-ПЧ затрудняет использование трансформаторов для сопряжения с линиями связи.

Рис. 1. Элементы кодов: а) ШМ2-ПЧ; б) ШМ3-ПЧ

Для построения кодирующего устройства кода ШМ-ПЧ можно использовать формирователь импульсов с изменяемой (коммутируемой) длительностью на основе цифрового элемента задержки в виде последовательного регистра (регистра сдвига) или счетчика импульсов. При этом изменение длительности формируемого импульса можно производить по выходу или по входу элемента задержки. В первом случае задается необходимый код конечного состояния элемента задержки, после достижения которого элемент задержки сбрасывается в исходное состояние. Код конечного состояния можно задать после запуска формирователя в течение времени, не превышающего длительность импульса «лог. 0». Во втором случае изменяется код начального состояния элемента задержки, задаваемый по тракту параллельной загрузки, а код конечного состояния остается неизменным. При этом код начального состояния необходимо задать до запуска формирователя.

Пример схемной реализации формирователя импульсов с заданием конечного состояния на основе регистра сдвига показан на рис. 2а. Схема содержит управляющий вход V, информационный вход D, информационный выход QD, тактовый вход C, на который подаются тактовые импульсы с периодом повторения Т, и вход G, на который подаются импульсы задающего генератора с периодом T_G = T/3 при использовании кода ШМ2-ПЧ, или T_G = T/4 при использовании кода ШМ3-ПЧ. Предполагается, что тактовые импульсы жестко привязаны по положительным перепадам к импульсам генератора. Частота импульсов генератора выбрана минимальной для уменьшения количества разрядов регистра сдвига. Здесь и далее при работе с кодом ШМ2 переключатель устанавливается в положение 2, а при работе с кодом ШМ3 — в положение 3.

Рис. 2. Формирователь импульсов ШМ-ПЧ с заданием конечного состояния на основе: а) регистра; б) счетчика

В режиме ожидания триггер установлен в состояние «лог. 0» положительным импульсом по V-входу и удерживает в состоянии «лог. 0» регистр сдвига. При поступлении положительного тактового импульса триггер переключается в состояние «лог. 1», формируя положительный перепад напряжения на выходе QD, и разрешает работу регистра сдвига. С задержкой на период импульсов генератора переключается в состояние «лог. 1» первый разряд Q1 регистра. Если на D-входе присутствует информация «лог. 0», то сигнал Q1 проходит на R-вход триггера и переключает его в состояние «лог. 0», формируя на выходе QD импульс «лог. 0», соответствующий рис. 1. Если на входе D присутствует сигнал «лог. 1», переключение триггера в состояние «лог. 0» производится с задержкой 2Т/3 сигналом с выхода второго разряда регистра при формировании кода ШМ2-ПЧ или с задержкой 3Т/4 сигналом с выхода третьего разряда регистра при формировании кода ШМ3-ПЧ. При этом на выходе QD формируется импульс «лог. 1», соответствующий рис. 1. При поступлении последующих тактовых импульсов формирователь работает таким же образом.

Аналогичная схема формирователя импульсов на основе счетчика показана на рис. 2б.

В схемах на рис. 2 для формирования импульсов «лог. 0» и «лог. 1» кода ШМ2-ПЧ или ШМ3-ПЧ каждому элементу задержки на основе регистра или счетчика требуется запуск от внешних тактовых импульсов. Поэтому представленные формирователи импульсов можно считать пассивными кодирующими устройствами. Однако указанные элементы задержки можно одновременно использовать и для формирования тактовых интервалов с периодом повторения Т. Соответствующая схема активного кодирующего устройства на основе регистра сдвига с заданием конечного состояния показана на рис. 3а.

Рис. 3. Кодирующее устройство ШМ-ПЧ с заданием конечного состояния на основе регистра

В режиме ожидания мажоритарный элемент находится в состоянии «лог. 0», регистр устанавливается в состояние «лог. 0» внешним сигналом по управляющему V-входу. При этом если импульсы задающего генератора могут подаваться на G-вход только после поступления информации на D-вход, управляющий сигнал может носить импульсный характер. При невыполнении указанного условия управляющий сигнал должен постоянно удерживать регистр в состоянии «лог. 0» до поступления входной информации. После поступления информации первого разряда входного кода разряды регистра начинают последовательно переключаться в состояние «лог. 1» по положительным перепадам импульсов генератора.

При переключении первого разряда регистра в состояние «лог. 1» формируется положительный перепад напряжения на информационном выходе QD, фиксируя начало тактового интервала. При наличии на D-входе сигнала «лог. 0» положительный импульс на выходе QD заканчивается в соответствии с рис. 1 при переключении в состояние «лог. 1» второго разряда регистра. При наличии на D-входе сигнала «лог. 1» положительный импульс на выходе QD заканчивается при сбросе всех разрядов в состояние «лог. 0» сигналом по R-входу регистра. Сигнал сброса формируется мажоритарным элементом, который устанавливается в состояние «лог. 1» на время действия импульса генератора третьим разрядом регистра в соответствии с рис. 1а при формировании кода ШМ2-ПЧ или четвертым разрядом регистра в соответствии с рис. 1б при формировании кода ШМ3-ПЧ. Одновременно импульс с выхода мажоритарного элемента поступает на выход QC, обеспечивая смену информации на D-входе устройства и формирование тактового интервала. После сброса регистра очередным импульсом генератора первый разряд переключается в состояние «лог. 1», фиксируя начало следующего тактового интервала. При этом пауза между импульсами соседних тактовых интервалов соответствует рис. 1.

Временные диаграммы сигналов в характерных точках схемы при формировании кода ШМ2-ПЧ показаны на рис. 3б.

Аналогичная рис. 3а схема кодирующего устройства на основе счетчика импульсов приведена на рис. 4а. В режиме ожидания счетчик устанавливается в состояние «лог. 0» сигналом по V-входу. При поступлении на D-вход информации первого разряда входного кода счетчик начинает переключаться импульсами генератора. В начале каждого тактового интервала при переключении первого разряда счетчика в состояние «лог. 1» на выходе QD устанавливается состояние «лог. 1» для любого кода ШМ2-ПЧ или ШМ3-ПЧ. При наличии на D-входе сигнала «лог. 0» положительный импульс на выходе QD заканчивается для обоих кодов в соответствии с рис. 1 через один период повторения импульсов генератора при переключении второго разряда счетчика в состояние «лог. 1». При наличии на D-входе сигнала «лог. 1» положительный импульс на выходе QD при формировании кода ШМ3-ПЧ заканчивается в соответствии с рис. 1б через три периода импульсов генератора при переключении первого и второго разрядов счетчика в состояние «лог. 0». При этом производится непрерывное переключение разрядов счетчика без принудительного сброса в состояние «лог. 0». При формировании кода ШМ2-ПЧ выходной импульс «лог. 1» заканчивается в соответствии с рис. 1а через два периода импульсов генератора, когда оба разряда счетчика после установки в состояние «лог. 1» сбрасываются в состояние «лог. 0» по цепи обратной связи. Момент сброса задается первым элементом совпадения, выходной сигнал которого вызывает переключение мажоритарного элемента в состояние «лог. 1» на время действия положительного импульса генератора и сброс разрядов счетчика в состояние «лог. 0». При этом в каждом тактовом интервале на выходе QC формируется отрицательный перепад сигнала, который обеспечивает формирование тактового интервала и смену информации на D-входе.

Рис. 4. Кодирующее устройство ШМ-ПЧ с заданием конечного состояния на основе счетчика

Временные диаграммы сигналов в характерных точках схемы при формировании кода ШМ2-ПЧ показаны на рис. 4б.

Кодирующие устройства с заданием начального состояния элемента задержки могут быть построены на основе параллельно-последовательных регистров. Соответствующие схемы кодирующих устройств ШМ2-ПЧ и ШМ3-ПЧ приведены на рис. 5а, б соответственно. В режиме ожидания все разряды регистров устанавливаются в состояние «лог. 0» сигналом по V-входу. При этом на выходах QC и QD кодирующих устройств и на входах P/S регистров присутствует уровень «лог. 0», задающий режим последовательной записи информации.

Рис. 5. Кодирующие устройства с заданием начального состояния с задержкой формирования кода: а) ШМ2-ПЧ; б) ШМ3-ПЧ

При формировании кода ШМ2-ПЧ в схеме рис. 5а после поступления информации первого разряда входного кода начинается последовательная запись состояния «лог. 1» c D-входа регистра в его разряды импульсами генератора, поступающими на G-вход устройства. При этом вторым импульсом генератора переключается второй разряд регистра. На выходе QC устройства и на входе P/S регистра устанавливается уровень «лог. 1». Поэтому третий импульс генератора осуществляет параллельную запись информации в разряды регистра. При этом первый и второй разряды всегда устанавливаются в состояние «лог. 0», а четвертый разряд — в состояние «лог. 1». Третий разряд принимает состояние входного кода, например состояние «лог. 1». На выходе QD устанавливается уровень «лог. 1», фиксирующий начало тактового интервала, а на выходе QC — уровень «лог. 0», переключающий регистр в режим последовательной записи информации и вызывающий смену информации на D-входе устройства. Четвертый импульс генератора переключает первый разряд регистра в состояние «лог. 1», а третий разряд — в состояние «лог. 0». Пятый импульс переключает второй разряд в состояние «лог. 1», а четвертый разряд — в состояние «лог. 0». При этом заканчивается импульс «лог. 1» на выходе QD, равный двум периодам импульсов генератора, а регистр переводится в режим параллельной записи информации.

Шестой импульс устанавливает четвертый разряд регистра в состояние «лог. 1», фиксируя окончание первого тактового интервала, равного трем периодам импульсов генератора, и начало второго тактового интервала. Одновременно при состоянии «лог. 0» на D-входе устройства первые три разряда устанавливаются в состояние «лог. 0». При этом регистр переключается в режим последовательной записи информации и производится смена информации на D-входе устройства. Седьмой импульс переключает первый разряд регистра в состояние «лог. 1», а четвертый разряд — в состояние «лог. 0». При этом заканчивается импульс «лог. 0» на выходе QD, равный одному периоду импульсов генератора. Далее работа устройства происходит аналогичным образом. Последовательность смены состояний разрядов регистра показана в таблице 1. Здесь и далее в таблицах “–” означает отсутствие импульса генератора.

Таблица 1. Алгоритм работы схемы, представленной на рис. 5а

Аналогичным образом работает кодирующее устройство (рис. 5б) формирования кода ШМ3-ПЧ. При этом параллельная запись информации в регистр производится не каждым третьим, а каждым четвертым импульсом генератора. Последовательность смены состояний разрядов регистра показана в таблице 2.

Таблица 2. Алгоритм работы схемы, представленной на рис. 5б

Необходимо отметить, что формирование выходного кода в схемах на рис. 5а, б начинается с задержкой на два и три периода повторения импульсов генератора соответственно. Для исключения этого недостатка необходимо обеспечить параллельную запись информации в регистр при состоянии «лог. 0» на его выходах. Соответствующая схема кодирующего устройства ШМ2-ПЧ приведена на рис. 6а. Эта схема отличается от устройства на рис. 5а введением в регистр дополнительного (третьего) разряда между разрядами, формирующими сигнал QC, и разрядами, формирующими сигнал QD. В режиме последовательной записи разряды регистра переключаются в состояние «лог. 0», который необходим для формирования сигнала «лог. 1» на выходе QD. В режиме параллельной записи первый, второй и пятый разряды устанавливаются в состояние «лог. 1», а третий разряд — в состояние «лог. 0», необходимое для формирования на выходе QD импульса «лог. 1». В четвертый разряд записывается входная информация. Выходная информация снимается с пятого разряда. Данная схема работает аналогично схеме на рис. 5а. Формирование выходного кода начинается с первого импульса генератора. Последовательность смены состояний разрядов регистра показана в таблице 3.

Таблица 3. Алгоритм работы схемы, представленной на рис. 6а

Рис. 6. Кодирующие устройства с заданием начального состояния без задержки формирования кода: а) ШМ2-ПЧ; б) ШМ3-ПЧ

Аналогичная схема формирования кода ШМ3-ПЧ с введением дополнительного (четвертого) разряда приведена на рис. 6б. Последовательность смены состояний разрядов регистра показана в таблице 4.

Таблица 4. Алгоритм работы схемы, представленной на рис. 6б

Необходимость введения дополнительных разрядов в схемах на рис. 6 исключается при построении каждого из устройств на основе двух независимых регистров в соответствии с рис. 7а. Здесь приведено кодирующее устройство ШМ2-ПЧ без дополнительного третьего разряда, соответствующее рис. 6а и таблице 3, с учетом того, что переключение Q4 в состояние «лог. 1» третьим и шестым импульсами генератора не производится.

Рис. 7. Кодирующие устройства: а) ШМ2-ПЧ с заданием начального состояния на основе двух регистров; б) ШМ3-ПЧ на основе двух счетчиков

Некоторые кодирующие устройства с заданием начального состояния элемента задержки могут быть построены и на основе соответствующих счетчиков. Однако последовательность переключения разрядов счетчика не зависит от его начального состояния. При этом изменение начального состояния каждого из младших разрядов влияет на задержку сигналов на выходе каждого из старших разрядов. Поэтому в устройствах рис. 6 для формирования каждого из выходных сигналов необходимо использовать отдельный счетчик при построении схемы аналогично рис. 7а. Соответствующее кодирующее устройство ШМ3-ПЧ показано на рис. 7б. Последовательность смены состояний разрядов счетчика показана в таблице 5. Использование счетчиков для построения кодирующих устройств, аналогичных рис. 5, ограничивается тем, что при окончании задержки формирования выходного кода на выходе QD формируется помеха, совпадающая по форме с импульсом QC.

Таблица 5. Алгоритм работы схемы, представленной на рис. 7б

Литература

1. Гончаров С. Н., Мартынов А. П., Шишкин Г. И. Способы преобразования самосинхронизирующихся кодов. Часть 1 // Компоненты и технологии. 2011. № 3.
2. Гончаров С. Н., Пантелеев О. И., Шишкин Г. И. Способы преобразования самосинхронизирующихся кодов. Часть 2 // Компоненты и технологии. 2011. № 4.

Все статьи цикла:

• Способы преобразования самосинхронизирующихся кодов. Часть 1, (Компоненты и технологии №3’2011)
• Способы преобразования самосинхронизирующихся кодов. Часть 2, (Компоненты и технологии №4’2011)
• Кодирующие устройства широтно-манипулированных кодов. Способы преобразования самосинхронизирующихся кодов. Часть 3 , (Компоненты и технологии №8’2011)
• Кодирующие устройства широтно-манипулированных кодов. Способы преобразования самосинхронизирующихся кодов. Часть 4, (Компоненты и технологии №2’2012)
• Декодирующие устройства широтно-манипулированных кодов. Способы преобразования самосинхронизирующихся кодов. Часть 5., (Компоненты и технологии №3’2012)