스크램블링 인코딩

Scrambling Technique

스크램블링 기법은 독자적인 인코딩 기법이라 보긴 어렵고 다른 인코딩 방식에서 발생할 수 있는 문제점을 보완하는 기법이라고 보아야 한다.

스크램블링 기법

Scrambling은 특정 비트열이 신호 상에서 일정한 전압 상태(예: 지속적인 0 또는 +, -의 패턴)를 발생시키는 문제를 해결하기 위한 기술이다. 주요 목적은 데이터를 전송할 때 신호의 동기화 문제를 해결하고, DC(직류) 성분을 없애는 것이다.

• 대체 신호 패턴(Filling Sequence)
  • 연속된 0 또는 다른 일정한 패턴이 발생할 경우 이를 대체할 신호 패턴을 삽입
  • 동기화를 유지하기 위해 충분한 신호 변화를 만들어야 함
  • 수신기는 대체된 신호 패턴을 인식하고 이를 원래 데이터로 복구해야 함
  • 대체된 신호의 길이는 원래 신호와 동일해야 함
• 디자인 목표
  • DC 성분 없음
  • 장기간의 동일 레벨의 신호 없음
  • 데이터 전송률 저하 없음
  • 에러 탐지 기능

예시

B8ZS

Bipolar with 8 Zeros Substitution

• Bipolar-AMI 기반의 Scrambling 기법.
• 목적: 연속된 8개의 0을 포함하는 비트 패턴을 변환하여 AMI 코드에서 발생하는 문제를 해결함
• 방법:
  • 8개의 0이 연속으로 나타날 때, 그 직전 신호가 양(+)이었으면 0 0 0 + - 0 - + 로 인코딩
  • 8개의 0이 연속으로 나타날 때, 그 직전 신호가 음(-)이었으면 0 0 0 - + 0 + - 로 인코딩
  • 이 방식은 AMI 코드의 두 가지 위반을 유발하는데, 이는 잡음에 의해 자연적으로 발생할 가능성이 매우 낮음
  • 수신기는 이 패턴을 감지하고 이를 원래의 8개의 0 비트열로 해석함

알고리즘 코드 (파이썬)

def b8zs(nrzl_input):
    output = []
    previous_pulse = 1  # Assume initial pulse is positive
    zero_count = 0
    
    for bit in nrzl_input:
        if bit == 1:
            # Alternate the pulse for '1'
            pulse = previous_pulse
            output.append(pulse)
            previous_pulse = -previous_pulse
            zero_count = 0  # Reset zero counter
        else:
            zero_count += 1
            if zero_count == 8:
                # 8 consecutive zeros detected, apply B8ZS substitution
                if previous_pulse == 1:
                    # Last pulse was positive
                    output.extend([0, 0, 0, 1, -1, 0, -1, 1])  # 000+-0-+
                else:
                    # Last pulse was negative
                    output.extend([0, 0, 0, -1, 1, 0, 1, -1])  # 000-+0+-
                zero_count = 0
            else:
                output.append(0)  # Regular zero
    
    return output
    
# 테스트 데이터 (NRZ-L 입력값)
nrzl_input_1 = [1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0]
nrzl_input_2 = [1, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 1]

# B8ZS 테스트
print("B8ZS encoding:", b8zs(nrzl_input_1))
print("B8ZS encoding:", b8zs(nrzl_input_2))

실행 결과

• B8ZS encoding: [1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, -1, 0, -1, 1, -1, 0, 1, 0, -1]
• B8ZS encoding: [1, 0, -1, 0, 0, 0, 0, 1, -1, 0, -1, 1, 1, -1, 0, 1]

HDB3

• Bipolar-AMI 기반의 또 다른 Scrambling 기법.
• 목적: 4개의 0가 연속되는 비트열을 처리하기 위해 설계됨.
• 방법: 연속된 4개의 0을 하나 또는 두 개의 펄스로 대체하여 AMI 코드 위반을 유발하지만, 그 패턴은 수신기가 쉽게 인식할 수 있음.

N = 최근 대체 이후 발생한 1의 수

직전 펄스	N이 홀수	N이 짝수
-	000-	+00+
+	000+	-00-

알고리즘 코드 (파이썬)

def hdb3(nrzl_input):
    output = []
    previous_pulse = 1  # Assume the initial pulse is positive
    one_count = 0  # Number of ones since the last substitution
    zero_count = 0

    for bit in nrzl_input:
        if bit == 1:
            # Handling a 1 bit
            if previous_pulse == 1:
                output.append(1)  # Positive pulse
            else:
                output.append(-1)  # Negative pulse
            previous_pulse = -previous_pulse  # Toggle the pulse
            one_count += 1
            zero_count = 0  # Reset zero count after a 1
        else:
            zero_count += 1
            if zero_count == 4:
                # Four consecutive zeros detected -> HDB3 substitution
                if one_count % 2 == 0:
                    # Even number of ones: B00B pattern
                    if previous_pulse == 1:
                        output.extend([-1, 0, 0, -1])  # -00-
                    else:
                        output.extend([1, 0, 0, 1])  # +00+
                else:
                    # Odd number of ones: 000V pattern
                    if previous_pulse == 1:
                        output.extend([0, 0, 0, 1])  # 000+
                    else:
                        output.extend([0, 0, 0, -1])  # 000-
                zero_count = 0
                one_count = 0  # Reset one count after substitution
            else:
                output.append(0)  # Regular 0 handling
    
    return output
    
# Test data (NRZ-L input)
nrzl_input_1 = [1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 1]
nrzl_input_2 = [0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 0]

# HDB3 test
print("HDB3 encoding:", hdb3(nrzl_input_1))
print("HDB3 encoding:", hdb3(nrzl_input_2))

실행 결과

• HDB3 encoding: [1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, -1, -1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 1, -1, 0, 0, 1]
• HDB3 encoding: [0, 0, 0, -1, 0, 0, -1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, -1, 0, 0, 0, -1, 1, -1, 0]