Zasada Działania Kodu NRZ

NRZ (Non-Return-to-Zero) to jedna z najprostszych i najbardziej bezpośrednich rodzin kodów liniowych. Sama nazwa – "bez powrotu do zera" – ujawnia jego podstawową zasadę: poziom sygnału nie powraca do zera w trakcie trwania bitu. Określony poziom (np. dodatnie lub ujemne napięcie) jest utrzymywany przez cały czas trwania bitu, oznaczany jako $T$.

Wariant 1: NRZ Unipolarny

W wersji unipolarnej (jednobiegunowej), logiczna '1' jest reprezentowana przez dodatni poziom napięcia, podczas gdy logiczne '0' jest reprezentowane przez zerowy poziom napięcia.

• Logiczne '1' → $+V$
• Logiczne '0' → $0V$

Chociaż ta metoda jest prosta, ma istotną wadę: obecność silnej składowej stałej, szczególnie podczas długich sekwencji jedynek. To czyni ją nieodpowiednią dla wielu systemów transmisyjnych.

Wariant 2: NRZ Bipolarny

Wersja bipolarna (dwubiegunowa) jest ulepszeniem schematu unipolarnego poprzez użycie poziomów napięcia o przeciwnych polaryzacjach. Jest to częściej spotykana forma NRZ.

• Logiczne '1' → $+V$
• Logiczne '0' → $-V$

Dzięki użyciu symetrycznych napięć dodatnich i ujemnych, składowa stała jest znacznie zredukowana, przy założeniu, że zera i jedynki występują z podobnym prawdopodobieństwem w strumieniu danych.

Interaktywny Przykład Kodowania NRZ

Analiza Widmowa i Kluczowe Wady

Największa zaleta kodów NRZ jest jednocześnie źródłem ich największej wady. Analiza widmowej gęstości mocy (PSD) sygnału NRZ bipolarnego ujawnia dwie kluczowe cechy:

• Wydajność Widmowa: Główny listek widma, zawierający większość energii sygnału, jest stosunkowo wąski i rozciąga się od prądu stałego (DC) do częstotliwości zegarowej, $f_{zegar} = 1/T$. To czyni NRZ wydajnym pod względem wykorzystania pasma w porównaniu do innych kodów, jak Manchester.
• Problem z Synchronizacją: Widmo mocy ma wartość zerową (null) dokładnie na częstotliwości zegarowej. Oznacza to brak energii w tej kluczowej składowej. To, w połączeniu z brakiem zmian sygnału podczas długich serii tych samych bitów ($1111...$ lub $0000...$), sprawia, że jest niezwykle trudne dla odbiornika przeprowadzenie procesu odzyskiwania zegara i utrzymania synchronizacji. Jeśli odbiornik straci synchronizację, zacznie błędnie odczytywać bity, co doprowadzi do kaskady błędów.

Podsumowanie Właściwości Kodu NRZ

Z powodu tych znaczących wad, surowe kodowanie NRZ jest rzadko używane do bezpośredniej transmisji w nowoczesnych systemach komunikacji w paśmie podstawowym. Często służy jako początkowa sekwencja binarna, która jest następnie przetwarzana przez układ randomizujący (scrambler) lub bardziej niezawodny schemat kodowania liniowego w celu przezwyciężenia jego ograniczeń.