Вредоносное ПО (malware) - это назойливые или опасные программы,...
При цифровом кодировании дискретной информации применяют потенциальные и импульсные коды.
В потенциальных кодах для представления логических единиц и нулей используется только значение потенциала сигнала, а его перепады, формирующие законченные импульсы, во внимание не принимаются. Импульсные коды позволяют представить двоичные данные либо импульсами определенной полярности, либо частью импульса - перепадом потенциала определенного направления.
Требования к методам цифрового кодирования
При использовании прямоугольных импульсов для передачи дискретной информации необходимо выбрать такой способ кодирования, который одновременно достигал бы нескольких целей:
Имел при одной и той же битовой скорости наименьшую ширину спектра результирующего сигнала;
Обеспечивал синхронизацию между передатчиком и приемником;
Обладал способностью распознавать ошибки;
Обладал низкой стоимостью реализации.
Более узкий спектр сигналов позволяет на одной и той же линии (с одной и той же полосой пропускания) добиваться более высокой скорости передачи данных. Кроме того, часто к спектру сигнала предъявляется требование отсутствия постоянной составляющей, то есть наличия постоянного тока между передатчиком и приемником. В частности, применение различных трансформаторных схем гальванической развязки препятствует прохождению постоянного тока.
Синхронизация передатчика и приемника нужна для того, чтобы приемник точно знал, в какой момент времени необходимо считывать новую информацию с линии связи. Эта проблема в сетях решается сложнее, чем при обмене данными между близко расположенными устройствами, например между блоками внутри компьютера или же между компьютером и принтером. На небольших расстояниях хорошо работает схема, основанная на отдельной тактирующей линии связи (рис), так что информация снимается с линии данных только в момент прихода тактового импульса. В сетях использование этой схемы вызывает трудности из-за неоднородности характеристик проводников в кабелях. На больших расстояниях неравномерность скорости распространения сигнала может привести к тому, что тактовый импульс придет настолько позже или раньше соответствующего сигнала данных, что бит данных будет пропущен или считан повторно. Другой причиной, по которой в сетях отказываются от использования тактирующих импульсов, является экономия проводников в дорогостоящих кабелях.
Поэтому в сетях применяются так называемые самосинхронизирующиеся коды, сигналы которых несут для передатчика указания о том, в какой момент времени нужно осуществлять распознавание очередного бита (или нескольких бит, если код ориентирован более чем на два состояния сигнала). Любой резкий перепад сигнала - так называемый фронт - может служить хорошим указанием для синхронизации приемника с передатчиком.
При использовании синусоид в качестве несущего сигнала результирующий код обладает свойством самосинхронизации, так как изменение амплитуды несущей частоты дает возможность приемнику определить момент появления входного кода.
Распознавание и коррекцию искаженных данных сложно осуществить средствами физического уровня, поэтому чаще всего эту работу берут на себя протоколы, лежащие выше: канальный, сетевой, транспортный или прикладной. С другой стороны, распознавание ошибок на физическом уровне экономит время, так как приемник не ждет полного помещения кадра в буфер, а отбраковывает его сразу при распознавании ошибочных бит внутри кадра.
Требования, предъявляемые к методам кодирования, являются взаимно противоречивыми, поэтому каждый из рассматриваемых ниже популярных методов цифрового кодирования обладает своими преимуществами и своими недостатками по сравнению с другими.
Потенциальный код без возвращения к нулю
На рис. 2.16, а показан уже упомянутый ранее метод потенциального кодирования, называемый также кодированием без возвращения к нулю (NonReturntoZero,NRZ). Последнее название отражает то обстоятельство, что при передаче последовательности единиц сигнал не возвращается к нулю в течение такта (как мы увидим ниже, в других методах кодирования возврат к нулю в этом случае происходит). МетодNRZпрост в реализации, обладает хорошей распознаваемостью ошибок (из-за двух резко отличающихся потенциалов), но не обладает свойством самосинхронизации. При передаче длинной последовательности единиц или нулей сигнал на линии не изменяется, поэтому приемник лишен возможности определять по входному сигналу моменты времени, когда нужно в очередной раз считывать данные. Даже при наличии высокоточного тактового генератора приемник может ошибиться с моментом съема данных, так как частоты двух генераторов никогда не бывают полностью идентичными. Поэтому при высоких скоростях обмена данными и длинных последовательностях единиц или нулей небольшое рассогласование тактовых частот может привести к ошибке в целый такт и, соответственно, считыванию некорректного значения бита.
Другим серьезным недостатком метода NRZявляется наличие низкочастотной составляющей, которая приближается к нулю при передаче длинных последовательностей единиц или нулей. Из-за этого многие каналы связи, не обеспечивающие прямого гальванического соединения между приемником и источником, этот вид кодирования не поддерживают. В результате в чистом виде кодNRZв сетях не используется. Тем не менее используются его различные модификации, в которых устраняют как плохую самосинхронизацию кодаNRZ, так и наличие постоянной составляющей. Привлекательность кодаNRZ, из-за которой имеет смысл заняться его улучшением, состоит в достаточно низкой частоте основной гармоникиfo, которая равнаN/2 Гц, как это было показано в предыдущем разделе. У других методов кодирования, например манчестерского, основная гармоника имеет более высокую частоту.
Метод биполярного кодирования с альтернативной инверсией
Одной из модификаций метода NRZявляется метод биполярного кодирования с альтернативной инверсией (BipolarAlternateMarkInversion,AMI). В этом методе (рис. 2.16, б) используются три уровня потенциала - отрицательный, нулевой и положительный. Для кодирования логического нуля используется нулевой потенциал, а логическая единица кодируется либо положительным потенциалом, либо отрицательным, при этом потенциал каждой новой единицы противоположен потенциалу предыдущей.
Код AMIчастично ликвидирует проблемы постоянной составляющей и отсутствия самосинхронизации, присущие кодуNRZ. Это происходит при передаче длинных последовательностей единиц. В этих случаях сигнал на линии представляет собой последовательность разнополярных импульсов с тем же спектром, что и у кодаNRZ, передающего чередующиеся нули и единицы, то есть без постоянной составляющей и с основной гармоникойN/2 Гц (где N - битовая скорость передачи данных). Длинные же последовательности нулей также опасны для кодаAMI, как и для кодаNRZ- сигнал вырождается в постоянный потенциал нулевой амплитуды. Поэтому кодAMIтребует дальнейшего улучшения, хотя задача упрощается - осталось справиться только с последовательностями нулей.
В целом, для различных комбинаций бит на линии использование кода AMIприводит к более узкому спектру сигнала, чем для кодаNRZ, а значит, и к более высокой пропускной способности линии. Например, при передаче чередующихся единиц и нулей основная гармоникаfoимеет частотуN/4 Гц. КодAMIпредоставляет также некоторые возможности по распознаванию ошибочных сигналов. Так, нарушение строгого чередования полярности сигналов говорит о ложном импульсе или исчезновении с линии корректного импульса. Сигнал с некорректной полярностью называется запрещенным сигналом (signalviolation).
В коде AMIиспользуются не два, а три уровня сигнала на линии. Дополнительный уровень требует увеличение мощности передатчика примерно на 3 дБ для обеспечения той же достоверности приема бит на линии, что является общим недостатком кодов с несколькими состояниями сигнала по сравнению с кодами, которые различают только два состояния.
Потенциальный код с инверсией при единице
Существует код, похожий на AMI, но только с двумя уровнями сигнала. При передаче нуля он передает потенциал, который был установлен в предыдущем такте (то есть не меняет его), а при передаче единицы потенциал инвертируется на противоположный. Этот код называется потенциальным кодом с инверсией при единице
(NonReturntoZerowithonesInverted,NRZI). Этот код удобен в тех случаях, когда использование третьего уровня сигнала весьма нежелательно, например в оптических кабелях, где устойчиво распознаются два состояния сигнала - свет и темнота. Для улучшения потенциальных кодов, подобныхAMIиNRZI, используются два метода. Первый метод основан на добавлении в исходный код избыточных бит, содержащих логические единицы. Очевидно, что в этом случае длинные последовательности нулей прерываются и код становится самосинхронизирующимся для любых передаваемых данных. Исчезает также постоянная составляющая, а значит, еще более сужается спектр сигнала. Но этот метод снижает полезную пропускную способность линии, так как избыточные единицы пользовательской информации не несут. Другой метод основан на предварительном «перемешивании» исходной информации таким образом, чтобы вероятность появления единиц и нулей на линии становилась близкой. Устройства, или блоки, выполняющие такую операцию, называются скрэмблерами (scramble- свалка, беспорядочная сборка). При скремблировании используется известный алгоритм, поэтому приемник, получив двоичные данные, передает их на дескрэмблер, который восстанавливает исходную последовательность бит. Избыточные биты при этом по линии не передаются. Оба метода относятся к логическому, а не физическому кодированию, так как форму сигналов на линии они не определяют. Более детально они изучаются в следующем разделе.
Биполярный импульсный код
Кроме потенциальных кодов в сетях используются и импульсные коды, когда данные представлены полным импульсом или же его частью - фронтом. Наиболее простым случаем такого подхода является биполярный импульсный код, в котором единица представлена импульсом одной полярности, а ноль - другой (рис. 2.16, в). Каждый импульс длится половину такта. Такой код обладает отличными самосинхронизирующими свойствами, но постоянная составляющая может присутствовать, например, при передаче длинной последовательности единиц или нулей. Кроме того, спектр у него шире, чем у потенциальных кодов. Так, при передаче всех нулей или единиц частота основной гармоники кода будет равна N Гц, что в два раза выше основной гармоники кода NRZи в четыре раза выше основной гармоники кодаAMIпри передаче чередующихся единиц и нулей. Из-за слишком широкого спектра биполярный импульсный код используется редко.
Манчестерский код
В локальных сетях до недавнего времени самым распространенным методом кодирования был так называемый манчестерский код (рис. 2.16, г). Он применяется в технологиях EthernetиTokenRing.
В манчестерском коде для кодирования единиц и нулей используется перепад потенциала, то есть фронт импульса. При манчестерском кодировании каждый такт делится на две части. Информация кодируется перепадами потенциала, происходящими в середине каждого такта. Единица кодируется перепадом от низкого уровня сигнала к высокому, а ноль - обратным перепадом. В начале каждого такта может происходить служебный перепад сигнала, если нужно представить несколько единиц или нулей подряд. Так как сигнал изменяется по крайней мере один раз за такт передачи одного бита данных, т.о. манчестерский код обладает хорошими самосинхронизирующими свойствами. Полоса пропускания манчестерского кода уже, чем у биполярного импульсного. У него также нет постоянной составляющей, а основная гармоника в худшем случае (при передаче последовательности единиц или нулей) имеет частоту N Гц, а в лучшем (при передаче чередующихся единиц и нулей) она равна N/2 Гц, как и у кодовAMIилиNRZ. В среднем ширина полосы манчестерского кода в полтора раза уже, чем у биполярного импульсного кода, а основная гармоника колеблется вблизи значения 3N/4. Манчестерский код имеет еще одно преимущество перед биполярным импульсным кодом. В последнем для передачи данных используются три уровня сигнала, а в манчестерском - два.
Потенциальный код 2В1 Q
На рис. 2.16, д показан потенциальный код с четырьмя уровнями сигнала для кодирования данных. Это код 2В1Q, название которого отражает его суть - каждые два бита (2В) передаются за один такт сигналом, имеющим четыре состояния (1Q). Паре бит 00 соответствует потенциал -2,5 В, паре бит 01 соответствует потенциал -0,833 В, паре 11 - потенциал +0,833 В, а паре 10 - потенциал +2,5 В. При этом способе кодирования требуются дополнительные меры по борьбе с длинными последовательностями одинаковых пар бит, так как при этом сигнал превращается в постоянную составляющую. При случайном чередовании бит спектр сигнала в два раза уже, чем у кодаNRZ, так как при той же битовой скорости длительность такта увеличивается в два раза. Таким образом, с помощью кода 2В1Qможно по одной и той же линии передавать данные в два раза быстрее, чем с помощью кодаAMIилиNRZI. Однако для его реализации мощность передатчика должна быть выше, чтобы четыре уровня четко различались приемником на фоне помех.
Общие сведения
Как известно, для передачи информации ее представляют в форме сообщения, например текста. При этом сообщение формируется из некоторого набора символов (букв). Набор символов, из которого формируется сообщение, называется первичным алфавитом . Первичный алфавит обычно содержит большое число символов, например, в русском языке первичный алфавит составляет 33 символа (буквы). При передаче сообщения на него воздействуют помехи, что приводит к изменению символов сообщения, а поскольку количество символов сравнительно большое и вероятность появления их одинакова, то восстановить исходное сообщение довольно сложно. Поэтому осуществляют переход от первичного алфавита с большим количеством символов к вторичному алфавиту с малым числом символов. Так как количество символов вторичного алфавита меньше, то и восстановить исходное сообщение становится легче. Таким образом, можно сказать, что, вторичный алфавит это набор символов, с помощью которого осуществляется отображение символов первичного алфавита. Процесс перехода от первичного алфавита к его вторичному отображению называется кодированием . Набор элементов и правило, в соответствии с которым осуществляется переход от первичного алфавита ко вторичному отображению называется кодом . В процессе кодирования каждому символу первичного алфавита соответствует некоторый набор символов вторичного алфавита. Последовательность символов вторичного алфавита соответствующая одному символу первичного алфавита называется кодовой комбинацией . Для того чтобы правильно восстановить закодированное исходное сообщение необходимо, чтобы кодовые комбинации различных символов первичного алфавита не повторялись.
Основными задачами кодирования являются повышение помехоустойчивости передаваемых сообщений, удаление избыточности из закодированных сообщений и защита информации от несанкционированного доступа (постороннего прослушивания).
Автоматическое кодирование осуществляется в устройстве называемом кодером , а обратный процесс декодирование происходит в декодере . Устройство, объединяющее кодер и декодер называется кодек .
Система передачи сообщений с кодированием представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 - Структурная схема системы передачи с кодированием сигналов
Источник сообщения (ИС) формирует сообщение, которое преобразуется в сигнал в преобразователе сообщения в сигнал (ПСС1). Аналоговый сигнал из ПСС1 поступает в аналого-цифровой преобразователь (АЦП) где аналоговый сигнал преобразуется в цифровой. Цифровой сигнал поступает в кодер источника. В кодере источника из закодированного сообщения удаляют избыточность, что позволяет увеличить скорость передачи информации в канале. Полученная на выходе кодера кодовая последовательность Аi поступает в кодер канала. В кодере канала осуществляется кодирование с целью повышения помехоустойчивости сигнала. Для этого кодирования используются корректирующие (помехоустойчивые) коды. Полученная в кодере канала последовательность Bip поступает в канал связи. Под действием помех N(t), воздействующих в канале возможны искажения принимаемого сигнала, проявляющиеся в изменении элементов кодовой последовательности. Принимаемая из канала последовательность Bip’ поступает в кодер канал. В нем осуществляется декодирование и исправление (коррекция) ошибок. Полученная на выходе последовательность Ai’ поступает в декодер источника, в котором восстанавливается избыточность закодированного сообщения. Затем сигнал поступает в цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), где осуществляется преобразование цифрового сигнала в аналоговый. Затем сигнал поступает в преобразователь сигнала в сообщение (ПСС2), где он преобразуется в форму удобную для получателя. Полученное сообщение воспринимается получателем (ПС).
Параметры кодов
Основание кода (m ) — соответствует количеству элементов, из которых состоит вторичный алфавит, соответствует системе счисления. Например в двоичном коде символы могут принимать два значения «0» и «1» или «.» и «-».
Разрядность кодовой комбинации (n ) — соответствует количеству элементов, из которых состоит кодовая комбинация. Например, для кодовой комбинации 100110 разрядность составляет 6.
Емкость кода (N 0 ) — соответствует количеству возможных кодовых комбинаций при заданном основании и разрядности:
N 0 = m n .
Данный показатель применяют к равномерным кодам.
Количество сообщений, которые необходимо закодировать N а — соответствует количеству символов первичного алфавита. Например для русского алфавита N а = 33.
Для корректирующих кодов вводятся следующие параметры.
Вес кодовой комбинации (W ) — соответствует количеству ненулевых элементов в кодовой комбинации. Например, для кодовой комбинации 11011 вес равен W = 4.
Расстояние Хэмминга (d ij ) — показывает, на сколько разрядов одна кодовая комбинация отличается от другой. Данный параметр определяется как вес кодовой комбинации полученной в результате сложения по модулю два двух рассматриваемых комбинаций
Кодовое расстояние (d 0) — это наименьшее расстояние Хэмминга для заданного кода. Для его определения d 0 производится определение расстояния Хэмминга для всех возможных пар кодовых комбинаций кода, после чего выбирается наименьшее. Например, для кода состоящего из трех кодовых комбинаций 100101, 011010, 100011 кодовое расстояние будет равно
Относительная скорость кода (R к) — показывает относительное число разрешенных комбинаций кода.
R к = log 2 Na / log 2 N 0 .
Избыточность кода (c к ) — показывает относительное число запрещенных комбинации кода.
c к = 1 – R к.
Корректирующая способность кода — определяется кратностями обнаруживаемых (q о ош) и исправляемых (q и ош) ошибок, под которыми понимают гарантированное число обнаруживаемых и исправляемых ошибок в кодовых комбинациях кодом. Например, если q о ош = 1, то код способен обнаружить ошибку в любом разряде принятой комбинации, при условии, что она одна, а если q и ош = 1 то код способен исправить одну ошибку в любом разряде принятой комбинации, при условии, что она одна.
Классификация кодов
Общая классификация кодов представлена схемой (рисунок 2).
Двоичные — это коды, основание которых равно двум (m=2), примерами таких кодов может являться код Морзе, линейный двоичный код.
Многопозиционные — это коды, основание которых больше двух (m>2).
Равномерные — это коды, все кодовые комбинации которых имеют одинаковую разрядность (n=const), примерами таких кодов могут являться циклические коды, МТК-3.
Неравномерные — это коды, кодовые комбинации которых имеют различную разрядность (n?const), примерами таких кодов могут являться код Шеннона-Фано, код Хафмена, код Морзе.
Простые — это коды, в которых все возможные кодовые комбинации используются для передачи сообщения (N 0 =N a). Такие коды не обладают способностью обнаруживать и исправлять ошибки в кодовых комбинациях.
Рисунок 2 - Классификация кодов
Избыточные — это коды, в которых часть кодовых комбинаций используется для передачи сообщений (разрешенные комбинации ), а остальные комбинации не используется для передачи сообщений (запрещенные комбинации ), т. е. у таких кодов N 0 >N a . Такие коды способны обнаруживать и исправлять ошибки в кодовых комбинациях.
Последовательные — это коды, разряды кодовых комбинаций которых передаются последовательно друг за другом. Такие коды используются для передачи сообщений в каналы связи (код Морзе, МТК-3, HDB-3).
Параллельные — это коды, разряды кодовых комбинаций которых передаются одновременно. Такие коды используются в микропроцессорной технике, а также к ним можно отнести многочастотные коды, используемые в координатных АТС.
В широком смысле под кодированием сигнала понимают процесс преобразования сообщения в сигнал. Как правило, сообщение от источника информации выдается в аналоговой форме, т.е. в виде непрерывного сообщения. Однако как при приеме-передаче информации, так и при ее обработке и хранении значительное преимущество дает дискретная форма представления сигнала. Поэтому в тех случаях, когда исходные сигналы в информационных системах являются непрерывными, необходимо предварительно преобразовать их в дискретные. В связи с этим термин «кодирование» относят обычно к дискретным сигналам и под кодированием в узком смысле понимают представление дискретных сообщений сигналами в виде определенных сочетаний символов. Совокупность правил, в соответствии с которыми производятся эти операции, называется кодом .
Процесс кодирования заключается в представлении сообщений условными комбинациями, составленными из небольшого количества элементарных сигналов (например, посылка и пауза в коде Бодо, «точка» и «тире» в коде Морзе).
В зависимости от целей кодирования различают следующие его виды:
- кодирование по образцу - используется всякий раз при вводе информации в компьютер для ее внутреннего представления;
- криптографическое кодирование (шифрование) - используется при необходимости защиты информации от несанкционированного доступа;
- эффективное (оптимальное) кодирование - используется для устранения избыточности информации, т.е. для снижения ее объема (например, в архиваторах);
- помехозащитное (помехоустойчивое) кодирование - используется для обеспечения заданной достоверности в случае, когда на сигнал накладывается помеха (например, при передаче информации по каналам связи).
Процесс кодирования информации обеспечивает достижение нескольких целей. Во-первых, сообщения представляют в системе символов, обеспечивающей простоту аппаратной реализации информационных устройств. Задача кодирования сообщений для этого случая представляется как преобразование исходного сообщения в используемую (как правило, двоичную) систему счисления. Число используемых при этом различных элементарных сигналов называется основанием кода, а число элементов, образующих кодовую комбинацию, - значностью кода. Если все комбинации кода имеют одинаковую значность, то такой код называется равномерным, в противном случае - неравномерным. Операция кодирования применяется для цифровых сигналов. Для непрерывных сигналов требуется предварительное преобразование аналогового сигнала в цифровой.
Во-вторых, кодирование используется для наилучшего согласования свойств источника сообщений со свойствами канала связи - оптимальное статистическое кодирование. Под ним понимают коды, которые обеспечивают минимизацию среднего количества кодовых символов на один элемент сообщения.
В-третьих, кодирование позволит уменьшить влияние помех на процесс приема-передачи (помехоустойчивое кодирование).
В-четвертых, кодирование обеспечивает защиту информации от несанкционированного доступа.
Коды как средство тайнописи появились еще в глубокой древности. Например, древнегреческий историк Геродот в V в. до н.э. приводил примеры писем, понятных только адресату. Секретная азбука использовалась и Юлием Цезарем. Над созданием шифров работали такие известные ученые Средневековья, как Ф. Бэкон, Д. Кардано и др.
При кодировании в двоичной системе счисления используют два элементарных сигнала, которые технически легко сформировать. Например, одним элементарным сигналом может быть посылка напряжения или тока, вдвое превышающая помеху, а другим - отсутствие посылки. На рисунке 2.1 показаны преобразования исходного аналогового сигнала: сначала в цифровой, а затем в двоичный код с числом двоичных символов п = 2 (двоичное кодирование).
Рис. 2.1. Двоичное кодирование: а - исходный аналоговый сигнал; б - дискретный по времени и квантованный по уровню цифровой сигнал; в - двоичный код отсчетов с числом двоичных символов п = 2
