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、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。この信号群は、データストレージシステムでは通常、制約付き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特性により、確実に使用できる信号群が制限されるため、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 ]}

一般的な回線符号化方式には、単極符号、極性符号、双極符号、およびマンチェスター符号があります。

ラインコーディング後、信号は伝送媒体またはデータ記憶媒体のいずれかである物理的な通信チャネルを通される。^{[ 3 ] [ 4 ]}最も一般的な物理チャネルは次のとおりである。

• ライン符号化された信号は、電圧または電流の変化の形で（多くの場合、差動信号方式を用いて）直接伝送線路に載せることができる。
• ライン符号化された信号（ベースバンド信号）は、さらにパルス整形（周波数帯域幅を狭めるため）を受け、その後変調（周波数をシフトするため）されて、自由空間を通して送信できるRF信号が生成される。
• ライン符号化信号は、自由空間光通信において光源のオン/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で使用されています。
• ラインコード化された信号を紙に印刷することで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することができる。
• 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することができる。

よく使われるバイナリラインコードには以下のようなものがあります。

各回線コードにはそれぞれ長所と短所があります。回線コードは、以下の基準の1つ以上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
• 同期を促進する
• エラーの検出と修正を容易にする
• 目標とするスペクトル密度を達成する
• DC成分を排除する

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 ビットの数と 0 ビットの数の差です。実行ディスパリティは、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、DC 成分が無制限であるため、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直流成分を除去します。このようなコードは、直流バランス型、ゼロ直流型、または直流フリー型と呼ばれます。直流成分を除去する方法は3つあります。 

• 定重み符号を使用します。定重み符号では、送信される各符号語は、正または負のレベルを含むすべての符号語が、反対のレベルも十分に含むように設計されており、各符号語の平均レベルがゼロになります。定重み符号の例としては、マンチェスター符号やインターリーブド2/5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。ペアディスパリティコードでは、平均して負のレベルになる各コードワードは、平均して正のレベルになる別のコードワードとペアになります。送信機は、DCレベルの蓄積を監視し、DCレベルをゼロに近づけるコードワードを選択します。受信機は、ペアのどちらのコードワードを復号しても同じデータビットにな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、オルタネートマーク反転、8b/10b、4B3Tなどがあります。
• スクランブラーを使用してください。例えば、RFC 2615で規定されている64b/66bエンコーディング用のスクランブラーなどです。 

バイポーラ線符号は2つの極性を持ち、一般的にRZとして実装され、出力レベルが3つ（負、正、ゼロ）あるため基数は3です。このタイプの符号の主な利点の1つは、直流成分を除去できることです。これは、信号が変圧器や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性があります。極性非依存のラインコードがこれらのチャネルでそれを補償します。^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]} このようなチャネルで0ビットと1ビットの曖昧さのない受信を実現するには、次の3つの方法があります。

• 各符号語を、その符号語の極性を反転させた符号語とペアにします。受信機は、ペアのどちらの符号語を復号しても同じデータビットが得ら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、差分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する方式。例としては、MLT-3符号化やNRZIなどがある。
• 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。

受信側で信頼性の高いクロックリカバリを実現するため、生成されるチャネルシーケンスにランレングス制限を設けることができる。すなわち、連続する1または0の最大数を妥当な数に制限する。クロック周期は受信シーケンスの遷移を観測することで復元されるため、最大ランレングスを設定することで、クロックリカバリの品質を保証するのに十分な遷移数を確保できる。

RLLコードは、 m、n、d、kの4つの主要パラメータによって定義されます。最初の2つ、m / nはコードのレートを表し、残りの2つは連続する1の間の最小dと最大kのゼロの数を指定します。これは、固定記録ヘッドを通過する媒体を移動する電気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連続（ラン）の長さを制限します。ランが長すぎるとクロックの回復が困難になり、短すぎると高周波が通信チャネルによって減衰する可能性があります。RLLはデータを変調することで、保存されたデータの復号におけるタイミングの不確実性を低減します。これにより、データを読み戻す際にビットが誤って挿入または削除される可能性が低減されます。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止できる）とともに、メディアを効率的に使用して、限られたスペースに最大限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は、RLL (0,1) FM コードなどの非常に単純なエンコード方式を使用しており、その後 RLL (1,3) MFM コードが続き、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CD、DVD、MD、Hi-MD、Blu-rayなどのデジタル光ディスクでEFMおよびEFMPLusコードを使用して使用されています。^{[ 11 ]} 1990 年代初頭までに、高密度の RLL (2,7) および RLL (1,7) コードがハードディスクの事実上の標準となりました。

ラインコーディングによって、受信機は受信信号の位相に同期できるようになるはずです。クロックリカバリが理想的でない場合、復号対象の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、受信データにおけるエラーの発生確率が高まります。

バイフェーズ線路符号は、ビット時間あたり少なくとも1回の遷移を必要とする。これにより、送受信機の同期やエラー検出が容易になるが、同じデータレートのNRZ符号に比べて帯域幅の使用量が多くなる。

ラインコードは通常、光ファイバーやシールド付き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、干渉、歪み、容量、減衰に関して媒体ごとに異なる挙動を示すため、媒体ごとに固有です。^{[ 12 ]}

• 物理層
• 自己同期コードとビット同期

•  この記事は、連邦規格1037C（一般調達局）からのパブリックドメイン資料を組み込んでいます。 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に準拠）

• 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：マラガ大学のデジタルデータ通信モデル向けオープンソースシミュレーター（HTML形式）。