ラインコード

電気通信において、ラインコードとは、通信チャネルを介して送信されるか、または記憶媒体に書き込まれるデジタルデータを表すために使用される電圧、電流、または光子のパターンです。この信号のレパートリーは、通常、データストレージシステムでは制約コードと呼ばれます。^{[1]通信チャネルまたは}記憶媒体の物理的性質により、確実に使用できる信号のレパートリーが制約されるため、一部の信号は他の信号よりもエラーが発生しやすくなります。^[2]

一般的なラインエンコーディングは、単極、極性、双極、およびマンチェスターコードです。

伝送と保存

ラインコーディングの後、信号は伝送媒体またはデータ記憶媒体のいずれかの物理的な通信チャネルを通過します。^[3]^[4]最も一般的な物理チャネルは次のとおりです。

ラインコード化された信号は、電圧または電流の変化の形で、伝送線路に直接送ることができます（多くの場合、差動信号が使用されます）。
ラインコード化された信号（ベースバンド信号）は、さらにパルス整形（周波数帯域幅を縮小）され、その後変調（周波数をシフト）されて、自由空間を介して送信できるRF 信号が作成されます。
ラインコード化信号は、自由空間光通信で光源のオン/オフを切り替えるために使用でき、最も一般的には赤外線リモコンに使用されます。
ラインコード化された信号を紙に印刷してバーコードを作成できます。
ラインコード化された信号は、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できます。
ラインコード化された信号は光ディスク上のピットに変換できます。

一般的なバイナリラインコードには次のようなものがあります。

各ラインコードには利点と欠点があります。ラインコードは、次の 1 つ以上の基準を満たすように選択されます。

伝送ハードウェアを最小限に抑える
同期を容易にする
エラー検出と修正が容易
目標スペクトル密度を達成する
DC成分を除去する

格差

ほとんどの長距離通信チャネルは、DC成分を確実に伝送することができません。DC成分は、ディスパリティ、バイアス、またはDC係数とも呼ばれます。ビットパターンのディスパリティは、1のビットの数と0のビットの数の差です。ランニングディスパリティは、以前に送信されたすべてのビットのディスパリティの累積合計です。^[5]最も単純なラインコードであるユニポーラは、無制限のDC成分を持つため、このようなシステムではエラーが多すぎます。

ほとんどのラインコードは DC 成分を除去します。このようなコードはDC バランス、ゼロ DC、または DC フリーと呼ばれます。DC 成分を除去する方法は 3 つあります。

定重みコードを使用します。定重みコードで送信される各コードワードは、正または負のレベルを含むすべてのコードワードに反対のレベルも十分に含まれ、各コードワードの平均レベルがゼロになるように設計されています。定重みコードの例としては、マンチェスターコードやInterleaved 2 of 5などがあります。
ペアディスパリティコードを使用します。平均すると負のレベルになるペアディスパリティコードの各コードワードは、平均すると正のレベルになる別のコードワードとペアになっています。送信機は、進行中の DC の蓄積を追跡し、DC レベルをゼロに戻すコードワードを選択します。受信機は、ペアのどちらかのコードワードが同じデータビットにデコードされるように設計されています。ペアディスパリティコードの例としては、交互マーク反転、8b/10b、4B3Tなどがあります。
スクランブラーを使用します。たとえば、64b/66b エンコーディング用にRFC 2615で指定されているスクランブラーです。

極性

バイポーララインコードには 2 つの極性があり、通常は RZ として実装され、3 つの異なる出力レベル (負、正、ゼロ) があるため基数は 3 です。このタイプのコードの主な利点の 1 つは、DC コンポーネントを除去できることです。これは、信号が変圧器または長い伝送線路を通過する必要がある場合に重要です。

残念ながら、いくつかの長距離通信チャネルには極性の曖昧さがあります。極性に依存しないラインコードがこれらのチャネルを補正します。^[6]^[7]^[8]^[9] このようなチャネルで0ビットと1ビットを明確に受信する方法は3つあります。

各コードワードをそのコードワードの極性反転とペアにします。受信機は、ペアのどちらかのコードワードが同じデータビットにデコードされるように設計されています。例としては、交互マーク反転、差動マンチェスター符号化、符号化マーク反転、ミラー符号化などがあります。
各シンボルを前のシンボルに対して差分符号化します。例としては、 MLT-3 符号化やNRZI などがあります。
反転した同期ワードが検出された場合は、極性切り替えなどを使用してストリーム全体を反転します。

ランレングス制限コード

受信機で信頼性の高いクロック回復を行うために、生成されたチャネルシーケンスにランレングスの制限を課すことができます。つまり、連続する 1 または 0 の最大数が妥当な数に制限されます。クロック周期は受信シーケンスの遷移を観察することによって回復されるため、最大ランレングスによって十分な遷移が保証され、クロック回復の品質が保証されます。

RLLコードは、4つの主なパラメータ、m、n、d、kによって定義されます。最初の2つ、m / nはコードの速度を指し、残りの2つは連続するゼロ間の最小のdと最大のkのゼロ数を指定します。これは、固定された記録ヘッドを介して媒体を移動する通信システムとストレージシステムの両方で使用されます。^[10]

具体的には、RLL は、信号が変化しない繰り返しビットのストレッチ (ラン) の長さを制限します。ランが長すぎるとクロック回復が難しくなり、短すぎると高周波が通信チャネルによって減衰される可能性があります。データを変調することにより、RLLは、保存されたデータのデコードにおけるタイミングの不確実性を低減します。タイミングの不確実性があると、データを読み戻すときにビットが誤って挿入または削除される可能性があります。このメカニズムにより、ビット間の境界を常に正確に検出できる (ビットスリップを防ぐ) と同時に、メディアを効率的に使用して、指定されたスペースに最大量のデータを確実に保存できます。

初期のディスクドライブでは、RLL (0,1) FMコード、その後RLL (1,3) MFMコードなどの非常に単純なエンコード方式が使用されていました。これらは1980年代半ばまでハードディスクドライブで広く使用され、現在でもEFMおよびEFMPLusコードを使用するCD、DVD、MD、Hi-MD、Blu-rayなどのデジタル光ディスクで使用されています。^[11]高密度のRLL (2,7)およびRLL (1,7)コードは、1990年代初頭までにハードディスクの事実上の標準となりました。 ^[^要出典^]

同期

ラインコーディングにより、受信機は受信信号の位相に同期できるようになります。クロック回復が理想的でない場合、デコードされる信号は最適なタイミングでサンプリングされません。これにより、受信データにエラーが発生する可能性が高くなります。

バイフェーズラインコードでは、ビット時間ごとに少なくとも 1 つの遷移が必要です。これにより、トランシーバーの同期とエラーの検出が容易になりますが、ボーレートは NRZ コードよりも高くなります。

その他の考慮事項

ラインコードは通常、光ファイバーやシールドツイストペアなどの伝送媒体の技術的要件を反映します。これらの要件は媒体ごとに異なります。なぜなら、媒体ごとに干渉、歪み、静電容量、減衰に関する動作が異なるためです。^[12]

共通回線コード

光回線コード

交互位相ゼロ復帰（APRZ）
キャリア抑制ゼロ復帰（CSRZ）
6 つのうち 3 つ、光ファイバー(TS-FO)

参照

物理層
自己同期コードとビット同期

参考文献

^ K. Schouhamer Immink (2022). 「制約付きコードにおけるイノベーション」. IEEE Communications Magazine . 2022年10月5日閲覧。
^ K. Schouhamer Immink (2001). 「光ディスク記録用コードの調査」. IEEE Journal on Selected Areas in Communications . 19 : 751–764 . 2018年2月5日閲覧。
^ Karl Paulsen. 「磁気記憶媒体のコーディング」Wayback Machineで 2014-05-21 にアーカイブ。2007 年。
^ Abdullatif Glass、Nidhal Abdulaziz、および Eesa Bastaki (2007)、「通信ネットワークの傾斜ラインコーディング」、IEEE 国際信号処理および通信会議、ドバイ: IEEE: 1537、ラインコード... は、通信およびコンピュータネットワークを介したデータの送信と、マルチメディアシステムでのデータの保存を容易にします。
^ Jens Kröger (2014). 「Mu3e実験のためのKapton Flexprintsによる高速データ伝送」(PDF)。p. 16。2022年10月9日時点のオリジナルよりアーカイブ(PDF) 。
^ US 4387366、Peter EK Chow、「極性非依存伝送システム用コードコンバータ」、1983年発行
^ David A. Glanzer、「4.7 極性」、フィールドバスアプリケーションガイド...配線と設置(PDF)、Fieldbus Foundation 、p. 10、2022-10-09のオリジナルからアーカイブ(PDF)
^ George C. Clark Jr.; J. Bibb Cain (2013). デジタル通信のための誤り訂正符号化。Springer Science & Business Media。p. 255。ISBN 9781489921741PSK データ変調を使用すると、受信チャネルシンボルの極性があいまいになる可能性があります。この問題は、2 つの方法のいずれかで解決できます。まず、いわゆる透過コードです。...
^ Prakash C. Gupta (2013). データ通信とコンピュータネットワーク。PHI Learning Pvt. Ltd. p. 13. ISBN 9788120348646差動符号化のもう 1 つの利点は、信号の極性に影響されないことです。... ツイストペアのリード線が誤って逆に接続された場合...
^ Kees Schouhamer Immink (1990年12 月)。「ランレングス制限シーケンス」。IEEE会議録。78 (11): 1745–1759。doi :10.1109/5.63306。ランレングス制限シーケンスの制限特性について詳細に説明しています。
^ Kees Schouhamer Immink (1995)。「EFMPlus: マルチメディアコンパクトディスクのコーディングフォーマット」。IEEE Transactions on Consumer Electronics。CE -41: 491–497。EFMに代わる高密度の代替方式について説明します。
^ Dong, Jielin (2007). ネットワーク辞書. Javvin Technologies Inc. p. 284. ISBN 9781602670006。

この記事には、連邦規格 1037Cのパブリックドメインマテリアルが組み込まれています。一般調達局。2022 年 1 月 22 日にオリジナルからアーカイブされました。( MIL-STD-188 をサポート)。

外部リンク

ラインコーディング講義第9回
デジタル通信におけるラインコーディング
CodSim 2.0: HTML で書かれたマラガ大学のデジタルデータ通信モデルのオープンソースシミュレーター

[1] K. Schouhamer Immink (2022). 「制約付きコードにおけるイノベーション」. IEEE Communications Magazine . 2022年10月5日閲覧。

[optics-2] K. Schouhamer Immink (2001). 「光ディスク記録用コードの調査」. IEEE Journal on Selected Areas in Communications . 19 : 751–764 . 2018年2月5日閲覧。

[paulsen-3] Karl Paulsen. 「磁気記憶媒体のコーディング」Wayback Machineで 2014-05-21 にアーカイブ。2007 年。

[4] Abdullatif Glass、Nidhal Abdulaziz、および Eesa Bastaki (2007)、「通信ネットワークの傾斜ラインコーディング」、IEEE 国際信号処理および通信会議、ドバイ: IEEE: 1537、ラインコード... は、通信およびコンピュータネットワークを介したデータの送信と、マルチメディアシステムでのデータの保存を容易にします。

[5] Jens Kröger (2014). 「Mu3e実験のためのKapton Flexprintsによる高速データ伝送」(PDF)。p. 16。2022年10月9日時点のオリジナルよりアーカイブ(PDF) 。

[6] US 4387366、Peter EK Chow、「極性非依存伝送システム用コードコンバータ」、1983年発行

[7] David A. Glanzer、「4.7 極性」、フィールドバスアプリケーションガイド...配線と設置(PDF)、Fieldbus Foundation 、p. 10、2022-10-09のオリジナルからアーカイブ(PDF)

[8] George C. Clark Jr.; J. Bibb Cain (2013). デジタル通信のための誤り訂正符号化。Springer Science & Business Media。p. 255。ISBN 9781489921741PSK データ変調を使用すると、受信チャネルシンボルの極性があいまいになる可能性があります。この問題は、2 つの方法のいずれかで解決できます。まず、いわゆる透過コードです。...

[9] Prakash C. Gupta (2013). データ通信とコンピュータネットワーク。PHI Learning Pvt. Ltd. p. 13. ISBN 9788120348646差動符号化のもう 1 つの利点は、信号の極性に影響されないことです。... ツイストペアのリード線が誤って逆に接続された場合...

[10] Kees Schouhamer Immink (1990年12 月)。「ランレングス制限シーケンス」。IEEE会議録。78 (11): 1745–1759。doi :10.1109/5.63306。ランレングス制限シーケンスの制限特性について詳細に説明しています。

[11] Kees Schouhamer Immink (1995)。「EFMPlus: マルチメディアコンパクトディスクのコーディングフォーマット」。IEEE Transactions on Consumer Electronics。CE -41: 491–497。EFMに代わる高密度の代替方式について説明します。

[12] Dong, Jielin (2007). ネットワーク辞書. Javvin Technologies Inc. p. 284. ISBN 9781602670006。