Стандарты открытых кабельных систем Стандарты открытых кабельных систем, механизм кодирования http://www.сайт/lan/standarti_otkritih_kabeljnih_sistem http://www.сайт/@@site-logo/logo.png

Стандарты открытых кабельных систем

Стандарты открытых кабельных систем, механизм кодирования

Основные понятия: методы кодирования, схема передачи, спектр сигнала, однополосный и двухполосный сигналы

Информационные системы локальных сетей иногда сравнивают с транспортной инфраструктурой. Кабели - это магистрали, разъемы - стыки дорог, сетевые карты и устройства - терминалы. Сетевые протоколы вызывают ассоциацию с правилами движения, которые к тому же определяют тип, конструкцию и характеристики транспортных средств.

Стандарты открытых кабельных систем, называемых также структурированными, определяют параметры и правила построения среды для передачи сигналов. Среда передачи - это электропроводные и оптоволоконные кабели, соединенные в каналы с помощью разъемов. При беспроводной связи передача сигналов осуществляется посредством радиоволн, в том числе, инфракрасных. Однако свободное пространство пока не рассматривается в качестве среды для локальных сетей.

Стандарты определяют частотный и динамический диапазоны элементов - кабелей, разъемов, линий и каналов.

Другая группа стандартов, разрабатываемая организациями стандартизации, в частности, Институтом инженеров электротехники и электроники (IEEE), и общественными организациями, например, ATM Forum и Gigabit Ethernet Alliance, определяет параметры физического уровня сетевых протоколов. К ним относятся тактовая частота, метод кодирования, схема передачи и спектр сигнала.

Открытая система обмена информацией OSI (Open System Interconnect), определяющая стандарты связи и передачи данных в любых сетях, разбивает все функции взаимодействия систем на семь уровней.

Нижний или физический уровень обеспечивает преобразование данных в электромагнитные сигналы, предназначенные для определенной среды передачи, и наоборот. Сигналы, передаваемые с физического уровня на второй или канальный уровень, не зависят от среды передачи. Сетевые протоколы, работающие на первом и втором уровнях, задают параметры сигналов, отправляемых по магистралям.

Некоторые аналогии, приводимые в статье, позволяют лучше понять взаимосвязь тактовой частоты, спектра сигнала и скорости передачи данных.

Если представить себе, что тактовая частота - это обороты двигателя автомобиля, то скорость передачи данных - это скорость движения. Преобразование одного в другое обеспечивается кодированием или коробкой передач.

Механизм кодирования

Цифровая передача данных требует выполнения нескольких обязательных операций:

• синхронизация тактовой частоты передатчика и приемника;
• преобразование последовательности битов в электрический сигнал;
• уменьшение частоты спектра электрического сигнала с помощью фильтров;
• передача урезанного спектра по каналу связи;
• усиление сигнала и восстановление его формы приемником;
• преобразование аналогвого сигнала в цифровой.

Рассмотрим взаимосвязь тактовой частоты и битовой последовательности. Битовый поток передается со скоростью, определяемой числом бит в единицу времени. Другими словами биты в секунду - это число дискретных изменений сигнала в единицу времени. Тактовая частота, измеряемая в герцах, это число синусоидальных изменений сигнала в единицу времени.

Данное очевидное соответствие породило ошибочное представление об адекватности значений герц и бит в секунду. На практике все сложнее. Скорость передачи данных, как правило, выше тактовой частоты. Для увеличения скорости передачи сигнал может идти параллельно по нескольким парам. Данные могут передаваться битами или байтами. Кодированный сигнал может иметь два, три, пять и более уровней. Некоторые методы кодирования сигналов требуют дополнительного кодирования данных или синхронизации, которые уменьшают скорость передачи информационных сигналов.

Как видно из таблицы, однозначного соответствия МГц и Мбит/с не существует.

Таблица 1. Соотношение между категорией канала, диапазоном частот и максимальной скоростью передачи данных

Каждый протокол требует определенную ширину спектра или, если хотите, ширину информационной магистрали. Схемы кодирования усложняют для того, чтобы эффективнее использовать информационные магистрали. Как и в аналогии с двигателем, совсем необязательно раскручивать его до максимальных оборотов, целесообразнее включить передачу.

Первая передача - коды RZ и манчестер-II

Код RZ

RZ - это трехуровневый код, обеспечивающий возврат к нулевому уровню после передачи каждого бита информации. Его так и называют кодирование с возвратом к нулю (Return to Zero). Логическому нулю соответствует положительный импульс, логической единице - отрицательный.

Информационный переход осуществляется в начале бита, возврат к нулевому уровню - в середине бита. Особенностью кода RZ является то, что в центре бита всегда есть переход (положительный или отрицательный). Следовательно, каждый бит обозначен. Приемник может выделить синхроимпульс (строб), имеющий частоту следования импульсов, из самого сигнала. Привязка производится к каждому биту, что обеспечивает синхронизацию приемника с передатчиком. Такие коды, несущие в себе строб, называются самосинхронизирующимися.

Недостаток кода RZ состоит в том, что он не дает выигрыша в скорости передачи данных. Для передачи со скоростью10 Мбит/с требуется частота несущей 10 МГц. Кроме того, для различения трех уровней необходимо лучшее соотношение сигнал / шум на входе в приемник, чем для двухуровневых кодов.

Наиболее часто код RZ используется в оптоволоконных сетях. При передаче света не существует положительных и отрицательных сигналов, поэтому используют три уровня мощности световых импульсов.

Код Манчестер-II

Код Манчестер-II или манчестерский код получил наибольшее распространение в локальных сетях. Он также относится к самосинхронизирующимся кодам, но в отличие от кода RZ имеет не три, а только два уровня, что обеспечивает лучшую помехозащищенность.

Логическому нулю соответствует переход на верхний уровень в центре битового интервала, логической единице - переход на нижний уровень. Логика кодирования хорошо видна на примере передачи последовательности единиц или нулей. При передаче чередующихся битов частота следования импульсов уменьшается в два раза.

Информационные переходы в средине бита остаются, а граничные (на границе битовых интервалов) - при чередовании единиц и нулей отсутствуют. Это выполняется с помощью последовательности запрещающих импульсов. Эти импульсы синхронизируются с информационными и обеспечивают запрет нежелательных граничных переходов.

Изменение сигнала в центре каждого бита позволяет легко выделить синхросигнал. Самосинхронизация дает возможность передачи больших пакетов информацию без потерь из-за различий тактовой частоты передатчика и приемника.

Большое достоинство манчестерского кода - отсутствие постоянной составляющей при передаче длинной последовательности единиц или нулей. Благодаря этому гальваническая развязка сигналов выполняется простейшими способами, например, с помощью импульсных трансформаторов.

Частотный спектр сигнала при манчестерском кодировании включает только две несущие частоты. Для десятимегабитного протокола - это 10 МГц при передаче сигнала, состоящего из одних нулей или одних единиц, и 5 МГц - для сигнала с чередованием нулей и единиц. Поэтому с помощью полосовых фильтров можно легко отфильтровать все другие частоты.

Код Манчестер-II нашел применение в оптоволоконных и электропроводных сетях. Самый распространенный протокол локальных сетей Ethernet 10 Мбит/с использует именно этот код.

Вторая передача - код NRZ

Код NRZ (Non Return to Zero) - без возврата к нулю - это простейший двухуровневый код. Нулю соответствует нижний уровень, единице - верхний. Информационные переходы происходят на границе битов. Вариант кода NRZI (Non Return to Zero Inverted) - соответствует обратной полярности.

Несомненное достоинство кода - простота. Сигнал не надо кодировать и декодировать.

Кроме того, скорость передачи данных вдвое превышает частоту. Наибольшая частота будет фиксироваться при чередовании единиц и нулей. При частоте 1 Гц обеспечивается передача двух битов. Для других комбинаций частота будет меньше. При передаче последовательности одинаковых битов частота изменения сигнала равна нулю.

Код NRZ (NRZI) не имеет синхронизации. Это является самым большим его недостатком. Если тактовая частота приемника отличается от частоты передатчика, теряется синхронизация, биты преобразуются, данные теряются.

Для синхронизации начала приема пакета используется стартовый служебный бит, например, единица. Наиболее известное применение кода NRZI - стандарт ATM155. Самый распространенный протокол RS232, применяемый для соединений через последовательный порт ПК, также использует код NRZ. Передача информации ведется байтами по 8 бит, сопровождаемыми стартовыми и стоповыми битами.

Четвртая передача - код MLT-3

Код трехуровневой передачи MLT-3 (Multi Level Transmission - 3) имеет много общего с кодом NRZ. Важнейшее отличие - три уровня сигнала.

Единице соответствует переход с одного уровня сигнала на другой. Изменение уровня сигнала происходит последовательно с учетом предыдущего перехода. Максимальной частоте сигнала соответствует передача последовательности единиц. При передаче нулей сигнал не меняется. Информационные переходы фиксируются на границе битов. Один цикл сигнала вмещает четыре бита.

Недостаток кода MLT-3, как и кода NRZ - отсутствие синхронизации. Эту проблему решают с помощью преобразования данных, которое исключает длинные последовательности нулей и возможность рассинхронизации.

Редуктор - кодирование данных 4B5B

Протоколы, использующие код NRZ, чаще всего дополняют кодированием данных 4B5B. В отличие от кодирования сигналов, которое использует тактовую частоту и обеспечивает переход от импульсов к битам и наоборот, кодирование данных преобразует одну последовательность битов в другую.

В коде 4B5B используется пяти-битовая основа для передачи четырех-битовых информационных сигналов. Пяти-битовая схема дает 32 (два в пятой степени) двухразрядных буквенно-цифровых символа, имеющих значение в десятичном коде от 00 до 31. Для данных отводится четыре бита или 16 (два в четвертой степени) символов.

Четырех-битовый информационный сигнал перекодируется в пяти-битовый сигнал в кодере передатчика. Преобразованный сигнал имеет 16 значений для передачи информации и 16 избыточных значений. В декодере приемника пять битов расшифровываются как информационные и служебные сигналы. Для служебных сигналов отведены девять символов, семь символов - исключены.

Исключены комбинации, имеющие более трех нулей (01 - 00001, 02 - 00010, 03 - 00011, 08 - 01000, 16 - 10000). Такие сигналы интерпретируются символом V и командой приемника VIOLATION - сбой. Команда означает наличие ошибки из-за высокого уровня помех или сбоя передатчика. Единственная комбинация из пяти нулей (00 - 00000) относится к служебным сигналам, означает символ Q и имеет статус QUIET - отсутствие сигнала в линии.

Кодирование данных решает две задачи - синхронизации и улучшения помехоустойчивости. Синхронизация происходит за счет исключения последовательности более трех нулей. Высокая помехоустойчивость достигается контролем принимаемых данных на пяти-битовом интервале.

Цена кодирования данных - снижение скорости передачи полезной информации. В результате добавления одного избыточного бита на четыре информационных, эффективность использования полосы частот в протоколах с кодом MLT-3 и кодированием данных 4B5B уменьшается соответственно на 25%.

При совместном использовании кодирования сигналов MLT-3 и данных 4В5В четвертая передача работает фактически как третья - 3 бита информации на 1 герц несущей частоты сигнала. Такая схема используется в протоколе TP-PMD.

Пятая передача - код PAM 5

Рассмотренные выше схемы кодирования сигналов были битовыми. При битовом кодировании каждому биту соответствует значение сигнала, определяемое логикой протокола.

При байтовом кодировании уровень сигнала задают два бита и более.

В пятиуровневом коде PAM 5используется 5 уровней амплитуды и двухбитовое кодирование. Для каждой комбинации задается уровень напряжения. При двухбитовом кодировании для передачи информации необходимо четыре уровня (два во второй степени - 00, 01, 10, 11). Передача двух битов одновременно обеспечивает уменьшение в два раза частоты изменения сигнала.

Пятый уровень добавлен для создания избыточности кода, используемого для исправления ошибок. Это дает дополнительный резерв соотношения сигнал / шум 6 дБ.

Код PAM 5 используется в протоколе 1000 Base T Gigabit Ethernet (см. Схема передачи Gigabit Ethernet). Данный протокол обеспечивает передачу данных со скоростью 1000 Мбит/с при ширине спектра сигнала всего 125 МГц.

Как это достигается? Данные передаются по всем четырем парам одновременно. Следовательно, каждая пара должна обеспечить скорость 250 Мбит/с. Максимальная частота спектра несущей при передаче двухбитовых символов кода PAM 5 составляет 62,5 МГц. С учетом передачи первой гармоники протоколу 1000 Base T требуется полоса частот до 125 МГц. Но о несущей, гармониках и полосе частот следует поговорить отдельно.

Ширина магистрали - требуемая полоса частот

Скорость движения зависит не только от возможностей автомобиля, но и от качества магистрали. То же самое справедливо и для передачи данных. Рассмотрим возможности информационных магистралей.

Кодирование сигналов - это способ преобразования тактовой частоты в скорость передачи данных. С какой целью выполняют преобразование? Для того, чтобы увеличить скорость без изменения частотного диапазона канала связи. Кодирование требует использования более сложной приемо-передающей аппаратуры. Это минус. Зато при переходе к более скоростным протоколам можно использовать те же кабели. А это уже большой плюс.

Например, протокол Fast Ethernet 100 Base T4 обеспечивает работу сети со скоростью 100 Мбит/с на кабелях категории 3 (16 МГц). Gigabit Ethernet 1000 Base T реализован таким образом, чтобы на базе каналов категории 5 (100 Мгц), имеющий некоторый резерв, передавать 1000 Мбит/с.

Ширина спектра сигнала

Сигнал, имеющий синусоидальную форму, называется гармоническим. Его параметры определяются частотой и амплитудой. Чем больше форма сигнала отличается от синусоиды, тем больше гармонических составляющих он несет. Частоты гармоник кратны частоте несущей. Стандарты электропитания, например, требуют оценки качества напряжения сигнала вплоть до тридцатой гармоники.

Диапазон частот сложного сигнала называется спектральной шириной сигнала. Он включает основную составляющую, которая определяет несущую, и гармонические составляющие, которые задают форму импульсов.

Восстановление формы импульсов производится на аппаратном уровне, поэтому гармонические составляющие убирают с помощью фильтров.

Спектральная ширина сигнала зависит от тактовой частоты, метода кодирования и характеристик фильтра передатчика.

Рисунок 6 иллюстрирует, как метод кодирования позволяет уменьшить частоту несущей. Для трех методов кодирования приведены ситуации, требующие максимальную частоту несущей. Один герц несущей передает один бит (1) при манчестерском кодировании, два бита (01) кода NRZ и четыре бита (1111) кода MLT-3. Фактор кодирования (передача) составляет соответственно один, два и четыре.

Другие комбинации битов требуют меньшей частоты. Например, при чередовании нулей и единиц частота несущей кода MLT-3 уменьшается еще в два раза, длительная последовательность нулей уменьшает частоту несущей до нуля.

Спектральную ширину сигнала не следует путать с тактовой частотой. Тактовая частота - это метроном, задающий темп мелодии. На рисунке 6 тактовой частоте соответствует скорость чередования битов. Спектральная ширина сигнала в данной аналогии это огибающая сигнала при условии, что она позволяет восстановить исходный импульсный сигнал.

В аналоговой передаче спектральная ширина - это мелодия, имеющая гораздо более широкий спектр. Если попытаться передать мелодию по телефону, придется пожертвовать спектром. Линия связи, имеющая узкую полосу пропускания, “обрежет” верхние гармоники. При этом, качество звучания мелодии на выходе узкополосного канала связи ухудшится.

При цифровой передаче для восстановления исходного сигнала требуется меньше гармоник, чем для аналогового. Технология передачи и приема цифровых сигналов позволяет восстановить исходный сигнал по несущей спектра. Однако для уменьшения коэффициента ошибок необходимо присутствие первой гармоники, что удваивает ширину спектра или частотный диапазон.

Однополосный и двухполосный сигналы

Сигнал, который не имеет спектральной энергии нулевой частоты, является двухполосным. У двухполосного ширина первой гармоники в два раза больше, чем у однополосного. Спектр сигнала после манчестерского кодирования является двухполосным. Кодирование методами NRZ, MLT-3 и PAM 5 дает однополосный сигнал.

Как было отмечено выше, код Манчестер-II дает две несущие частоты: 5 МГц и 10 МГц.

Частота 10 МГц передается с одной гармоникой (несущая и гармоники обозначены на рис. 7 красным цветом). Частота 5 МГЦ (обозначенная зеленым цветом) имеет три гармоники в верхнем диапазоне. Остальные гармоники обрезаются фильтрами.

Итак, при передаче однополосного сигнала, кодированного методом NRZ, со скоростью10 Мбит/с, требуется 10 МГц. Для двухполосного сигнала, который создается манчестерским десятимегабитным протоколом необходимо 20 МГц полосы пропускания.

Для спектра несущей протокола ATM 155, в котором реализован метод кодирования сигналов NRZ, а тактовая частота составляет 155,52 МГц, требуется полоса частот 77,76 МГц. С учетом одной несущей полоса сигнала составляет 155,52 МГц.

Стандартный канал категории 5 максимальной длины обеспечивает полосу 100 Мгц с запасом сигнал / шум 3,1 дБ. Нулевой запас превышения мощности сигнала на шумом при этом будет на частоте 115 МГц. Таким образом, анализ спектра позволяет сделать вывод о недостаточной ширине информационной магистрали.

Кроме ширины магистрали качество полотна зависит от неровностей. Применительно к кабельным каналам это отношение сигнал / шум, которое зависит в первую очередь от качества стыков - разъемных соединений. Волновая природа шумов и несоответствие категории 5 требованиям протоколов класса D подробно освещается в статье Дефицит категории 5.

Выводы

Методы кодирования и сложные схемы, использующие все витые пары, обеспечивают увеличение скоростей передачи данных без пропорционального увеличения диапазона частот среды передачи или ширины информационных магистралей.

Анализ методов кодирования позволяет сделать вывод о том, что системы категории 5 имеют дефицит ресурсов даже для приложений своего класса. Современные информационные магистрали требуют более тщательной подготовки для перехода от десятимегабитных приложений к высокоскоростным протоколам.

Извлечение ссылок на картинки.

Операции с документом

Методы кодирования цифровых сигналов

В этой статье не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники. Эта отметка установлена 8 января 2012 .

Форматы кодов

Каждый бит кодового слова передается или записывается с помощью дискретных сигналов, например, импульсов. Способ представления исходного кода определенными сигналами определяется форматом кода. Известно большое количество форматов, каждый из которых имеет свои достоинства и недостатки и предназначен для использования в определенной аппаратуре.

• Формат БВН (без возвращения к нулю) естественным образом соответствует режиму работы логических схем. Единичный бит передается в пределах такта уровень не меняется. Положительный перепад означает переход из 0 к 1 в исходном коде, отрицательный - от 1 к 0. Отсутствие перепадов показывает, что значения предыдущего и последующего битов равны. Для декодирования кодов в формате БВН необходимы тактовые импульсы, так как в его спектре не содержится тактовая частота. Соответствующий коду формата БВН сигнал содержит низкочастотные компоненты (при передаче длинных серий нулей или единиц перепады не возникают).

• Формат БВН-1 (без возвращения к нулю с перепадом при передаче 1) является разновидностью формата БВН. В отличие от последнего в БВН-1 уровень не передает данные, так как и положительные и отрицательные перепады соответствуют единичным битам. Перепады сигнала формируются при передаче 1. При передаче 0 уровень не меняется. Для декодирования требуются тактовые импульсы.

• Формат БВН −0 (без возвращения к нулю с перепадом при передаче 0) является дополнительным к БВН-1 (перепады соответствуют нулевым битам исходного кода). В многодорожечных системах записи цифровых сигналов вместе с кодом в формате БВН надо записывать тактовые импульсы. Возможным вариантом является запись двух дополнительных сигналов, соответствующих кодам в форматах БВН-1 и БВН-0. В одном из двух сигналов перепады происходят в каждом такте, что позволяет получить импульсы тактовой частоты.

• Формат ВН (с возвращением к нулю) требует передачи импульса, занимающего только часть тактового интервала (например, половину), при одиночном бите. При нулевом бите импульс не формируется.

• Формат ВН-П (с активной паузой) означает передачу импульса положительной полярности при единичном бите и отрицательной - при нулевом бите. Сигнал этого формата имеет в спектре компоненты тактовой частоты. Он применяется в ряде случаев для передачи данных по линиям связи.

• Формат ДФ-0 (двухфазный со скачком фазы при передаче 0) соответствует способу представления, при котором перепады формируются в начале каждого такта. При единичных битах сигнал в этом формате меняется с тактовой частотой, то есть в середине каждого такта происходит перепад уровня. При передаче нулевого бита перепад в середине такта не формируется, то есть имеет место скачок фазы. Код в данном формате обладает возможностью самосинхронизации и не требует передачи тактовых сигналов.

Направление перепада при передаче сигнала единицы не имеет значения. Поэтому изменение полярности кодированного сигнала не влияет на результат декодирования. Он может передаваться по симметричным линиям без постоянной составляющей. Это также упрощает его магнитную запись. Этот формат известен также под названием «Манчестер 1». Он используется в адресно-временном коде SMPTE, широко применяющемся для синхронизации носителей звуковой и видеоинформации.

By Northwest (Serov, CMT)

Бинарное кодирование

Без возврата к нулю

Потенциальное кодирование, также называется кодированием без возвращения к нулю (NRZ). При передаче нуля он передает потенциал, который был установлен на предыдущем такте (то есть не меняет его), а при передаче единицы потенциал инвертируется на противоположный. Этот код называется потенциальным кодом с инверсией при единице (NRZI).

NRZ

Потенциальный код NRZ (перевёрнутый)

Для передачи единиц и нулей используются два устойчиво различаемых потенциала:
NRZ (прямой) :

• биты 0 представляются нулевым напряжением 0 (В);
• биты 1 представляются значением U (В).

NRZ (перевёрнутый):

• биты 0 представляются значением U (В);
• биты 1 представляются нулевым напряжением 0 (В).

NRZI

Потенциальный код NRZI

При передаче последовательности единиц, сигнал, в отличие от других методов кодирования, не возвращается к нулю в течение такта. То есть смена сигнала происходит при передаче единицы, а передача нуля не приводит к изменению напряжения.

Достоинства метода NRZ:

Простота реализации.

Метод обладает хорошей распознаваемостью ошибок (благодаря наличию двух резко отличающихся потенциалов).

Основная гармоника f0 имеет достаточно низкую частоту (равную N/2 Гц, где N - битовая скорость передачи дискретных данных [бит/с]), что приводит к узкому спектру.

Недостатки метода NRZ:

Метод не обладает свойством самосинхронизации. Даже при наличии высокоточного тактового генератора приёмник может ошибиться с выбором момента съёма 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.

Вторым серьёзным недостатком метода, является наличие низкочастотной составляющей, которая приближается к постоянному сигналу при передаче длинных последовательностей единиц и нулей. Из-за этого многие линии связи, не обеспечивающие прямого гальванического соединения между приёмником и источником, этот вид кодирования не поддерживают. Поэтому в сетях код NRZ в основном используется в виде различных его модификаций, в которых устранены как плохая самосинхронизация кода, так и проблемы постоянной составляющей.

Манчестерское кодирование

Манчестерское кодирование

При манчестерском кодировании каждый такт делится на две части. Информация кодируется перепадами потенциала в середине каждого такта. Единица кодируется перепадом от низкого уровня сигнала к высокому, а ноль - обратным перепадом (по стандарту IEEE 802.3, хотя по Д.Е. Томасу кодирование происходит наоборот). 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, то манчестерский код обладает хорошими самосинхронизирующими свойствами. У манчестерского кода нет постоянной составляющей (меняется каждый такт), а основная гармоника в худшем случае (при передаче последовательности единиц или нулей) имеет частоту N Гц, а в лучшем случае (при передаче чередующихся единиц и нулей) - N/2 Гц, как и у NRZ. В среднем ширина спектра при манчестерском кодировании в два раза шире чем при NRZ кодировании.

Дифференциальное манчестерское кодирование

Дифференциальное манчестерское кодирование

При дифференциальном манчестерском кодировании в течение битового интервала (времени передачи одного бита) уровень сигнала может меняться дважды. Обязательно происходит изменение уровня в середине интервала, этот перепад используется для синхронизации. Получается, что при передаче нуля в начале битового интервала происходит перепад уровней, а при передаче единицы такой перепад отсутствует.

Тринарное кодирование

(c возвратом к нулю)

То есть каждый бит передается 3-мя уровнями напряжения. Поэтому требует в 2 раза больше скорости по сравнению с обычной скоростью. Это квазитроичный код, то есть изменение сигнала происходит между 3-мя уровнями.

Биполярный код AMI

Биполярный код AMI

AMI-код использует следующие представления битов:

• биты 0 представляются нулевым напряжением (0 В);

• биты 1 представляются поочерёдно значениями -U или +U (В).

AMI-код обладает хорошими синхронизирующими свойствами при передаче серий единиц и сравнительно прост в реализации. Недостатком кода является ограничение на плотность нулей в потоке данных, поскольку длинные последовательности нулей ведут к потере синхронизации. Используется в телефонии уровня передачи данных, когда используются потоки мультиплексирования.

HDB3

Код HDB3 исправляет любые 4 подряд идущие нули в исходные последовательности. Правило формирования кода следующее: каждые 4 нуля заменяются 4 символами в которых имеется хотя бы один сигнал V. Для подавления постоянной составляющей полярность сигнала V чередуется при последовательных заменах. Для замены используются два способа: 1)если перед заменой исходный код содержал нечётное число единиц то используется последовательность 000V, если чётное то 100V

V-cигнал единицы запрещённого для данного сигнала полярности

Тоже что и AMI, только кодирование последовательностей из четырех нулей заменяется на код -V, 0, 0, -V или +V, 0, 0, +V - в зависимости от предыдущей фазы сигнала.

MLT-3

MLT-3 Multi Level Transmission - 3 (многоуровневая передача) - метод кодирования, использующий три уровня сигнала. Метод основывается на циклическом переключении уровней -U, 0, +U. Единице соответствует переход с одного уровня сигнала на следующий. Так же как и в методе NRZI при передаче «нуля» сигнал не меняется. В случае наиболее частого переключения уровней (длинная последовательность единиц) для завершения цикла необходимо четыре перехода. Это позволяет вчетверо снизить частоту несущей относительно тактовой частоты, что делает MLT-3 удобным методом при использовании медных проводов в качестве среды передачи. Метод разработан Cisco Systems для использования в сетях FDDI на основе медных проводов, известных как CDDI. Также используется в Fast Ethernet 100BASE-TX.

Тетрарное кодирование

Потенциальный код 2B1Q

Потенциальный код 2B1Q

Код 2B1Q передает пару бит за один битовый интервал. Каждой возможной паре в соответствие ставится свой уровень из четырех возможных уровней потенциала. Паре
00 соответствует потенциал −2.5 В,
01 соответствует −0.833 В,
11 - +0.833 В,
10 - +2.5 В.

В процессе кодирования амплитуда каждого квантованного по уровню АИМ отсчета представляется в виде двоичной последова­тельности, содержащей символов (-разрядной кодовой ком­бинации). Для определения структуры комбинации в простейшем случае нужно в двоичном коде записать амплитуду АИМ от­счета " , выраженную в шагах квантования. В этом случае можно воспользоваться соотношением.

где а,= {0, 1}-состояние соответствующего разряда комбинации; - вес соответствующего разряда в условных шагах квантования.

Например, если =5, а = 26, то кодовая комбинация будет иметь структуру 11010 (первый разряд--старший по весу), так ак. Последовательность-разрядных кодовых комбинаций представляет собой груп­повой сигнал с ИКМ, называемый также цифровым.

На рис. 5.16 приведены временные диаграммы, поясняющие процесс кодирования при использовании пятиразрядного двоич­ного кода. Амплитуда отсчетов, поступающих на вход кодера, в данном случае может принимать значения в диапазоне = 0-31 условных шагов квантования, а на выходе кодера форми­руется цифровой сигнал с ИКМ, представляющий собой последо­вательность пятиразрядных кодовых комбинаций.

Как было показано выше, для качественной передачи телефон­ных сигналов при неравномерном квантовании необходимо исполь­зовать восьмиразрядный код (=8, а при равномерном- 12-раз­рядный (=12). На практике находят применение двоичные коды следующих типов: натуральный двоичный, код, симметричный двоичный код, рефлексный двоичный код (код Грея).

Симметричный двоичный код в основном исполь­зуется при кодировании двуполярных сигналов (например, телефонных). На рис. 2.17 показаны структура кода и кодовая таблица, соответствующая данному коду. Для всех положительных I отсчетов знаковый символ имеет значение 1, а для отрицатель-I ных 0. Для положительных и отрицательных отсчетов, равных по I амплитуде, структуры кодовых комбинаций полностью совпадают I (за исключением знакового разряда), т. е. код является симметричным. Например, максимальному положительному сигналу ответствует код 11111111, а максимальному отрицательному-01111111. Абсолютное значение шага квантования■ Натуральный двоичный код в основном используется I при кодировании однополярных сигналов. На рис. 2.18 показаны структура кода и кодовая таблица, соответствующая данному коду (при =8).

Рис. 2.17. Формирован ие симметричного двоичного кода

Очевидно, что число комбинаций различной структуры равно 256, причем минимальному сигналу соответствует комбинация 00000000, а максимальному-11111111, Абсолютное значение шага квантования

С помощью натурального двоичного кода можно кодировать и-двуполярные сигналы, обеспечив предварительно их смещение, как. показано на рис. 5.17. В этом случае, очевидно, изменяется ампли­туда кодируемых отсчетов, причем переход от амплитуды от­счета, выраженной в шагах квантования, при использовании симметричного кода к амплитуде этого же отсчетапри исполь­зовании натураль-ного кода и наоборот можно осуществить сле­дующим образом (рис. 2.17 и 2.18):

Натуральный и симметричный двоичные коды являются наи­более простыми. Как для натурального, так и для симметричного кода ошибка в одном из символов может привести к значительным искажениям сигнала. Если, в кодовой комбинации вида 11010011 ошибка произошла в пятом разряде; т. е. принята комбинация 11000011, то амплитуда отсчета будет меньше истин­ного значения на =16 условных шагов квантования. Рассмотрим принципы построения кодирующих и декодирую­щих устройств, которые могут быть линейными и нелинейными. Линейным кодированием называется кодирование равномерно квантованного сигнала, а нелинейным - неравномерно кван­тованного сигнала. Код, формируемый в кодере, называется параллельным, если сигналы, входящие в со­став m-разрядной кодовой группы, появляются на разных выхо­дах кодера одновременно, причем каждому выходу кодера соот­ветствует сигнал определенного разряда. Код называется после­довательным, если все сигналы, входящие в состав т-раз рядной кодовой группы, появляются на одном выходе кодера поочередно со сдвигом по времени,

Рис. 2.18. Формирование натурального двоичного кода

Параллельный код может преобразовываться в последовательный (рис. 2.19, я) и наоборот (рис. 2.19,6) с по­мощью логических схем, обеспечивающих сдвиг импульсов во времени (например, регистров сдвига).

Рис. 2.19. Принципы преобразования па- Рис. 2.20. Линейный кодер поразряд-раллельного кода в последовательный ного взвешивания (а) и наоборот (б)

Запись и считывание инфор­мации из регистра осуществляется под управлением сигналов, поступающих от генераторного оборудования.

По принципу действия кодеры делятся на кодеры счетного типа, матричные, взвешивающего типа и др. В ЦСП чаще всего используются кодеры взвешивающего типа, среди которых про­стейшим является кодер поразрядного взвешивания (рис. 2.20), на выходах которого формируется натуральный двоичный код. Принцип работы таких кодеров заключается в уравновешивании кодируемых отсчетов суммой эталонных токов (напряжений) с оп­ределенными весами. Схема линейного кодера поразрядного взве­шивания содержит восемь ячеек (при =8), обеспечивающих формирование значения соответствующего разряда (1 или 0). В со­став каждой ячейки (за исключением последней, соответствующей младшему по весу разряду) входят схема сравнения СС (компа­ратор) и схема вычитания (СВ).

Схемы сравнения обеспечивают сравнение амплитуды посту­пающего АИМ сигнала с эталонными сигналами, амплитуды ко­торых соответствуют весам соответствующих разрядов (= =. Если амплитуда сигнала на входе СС, равна или превышает , то на выходе форми­руется 1 (импульс), виз сигнала вычитается , после чего он поступает на вход следующей ячейки. Если амплитуда сигнала на входе меньше , то на выходеформируется 0 (про­бел) и сигнал проходит через без каких-либо изменений. После окончания процесса кодирования данного отсчета на выхо­дах кодера получают восьмиразрядный параллельный код, кодер устанавливается в исходное положение и начинается процесс ко­дирования следующего отсчета. Таким образом, процесс кодиро­вания соответствует операции взвешивания (амплитуда кодируе­мого отсчета в процессе кодирования уравновешивается суммой эталонных значений соответствующих разрядов).

Если, например, на вход кодера поступает отсчет с амплиту­дой , то ССб формирует = 1 и на вход седьмой ячейки поступит сигнал с амплитудой. На выходеполучим=0, и на вход третьей ячейки кодера посту­пит сигнал с той же амплитудой. На выходе СС 6 полу­чим= 1, и на вход следующей ячейки поступит сигнал с= 1 =и т. д. В результате будет сформирована кодовая комбинация вида 10101110 (первый разряд - старший по весу).

При кодировании двуполярных сигналов в кодере необходимо иметь две схемы формирования эталонов, (ФЭ) для кодирования положительных и отрицательных отсчетов.

В процессе декодирования сигнала-разрядные кодовые ком­бинации преобразуются в АИМ отсчеты с соответствующими ам­плитудами. Сигнал на выходе декодера может быть получен в результате суммирования эталонных сигналов () тех разрядов кодовой комбинации, значение которых равно 1. Так, если на вход декодера поступает кодовая комбинация 10101110, то амплитуда АИМотсчета на выходе декодера =174δ

Рис. 2.21 Линейный декодер взвеши- Рис. 2.22 Линейный кодер
вающего типа с обратной связью

Структурная схема линейного декодера взвешивающего типа представлена на рис. 2.21. Под воздействием управляющих сигна­лов, поступающих от генераторного оборудования, в регистр сдвига записывается очередная восьмиразрядная кодовая комбинация. После этого замыкаются только те ключи (), которые

соответствуют разрядам, имеющим значение 1. В результате на вход сумматора от формирователя эталонных сигналов (ФЭ) по­ступают соответствующие эталонные сигналы, в результате чего на выходе сумматора формируется АИМ отсчет с определенной амплитудой.

Очевидно, что если в процессе передачи цифрового сигнала по линейному тракту в одном (или больше) разряде кодовой комби­нации произойдет ошибка, то амплитуда отсчета на выходе деко­дера будет отличаться от истинного значения. Если, например, в комбинации 10101110 произойдет ошибка в Р 6 , т. е. на вход де­кодера поступит комбинация 10001110, то амплитуда отсчета на i выходе декодера , т. е. на меньше истинной амплитуды отсчета, равной Рассмотренная схема кодера поразрядного взвешивания содержит большое число схем сравнения, которые являются относительно сложными устройствами. На практике чаще используется I кодер взвешивающего типа с использованием одной схемы сравнения и цепи обратной связи, содержащей декодер (рис. 5.22). Под I воздействием управляющего сигнала (), поступающего от генераторного оборудования, на вход декодера от схемы управления в каждом такте последовательно подается с каждого из выходов, начиная со старшего разряда. На выходе декодера В формируется уравновешивающий АИМ сигнал (), который

В поступает на вход СС, где сравнивается с входным АИМ сигналом. В В зависимости от результата сравнения на выходе СС формируется значение текущего разряда: 1 (при) или О (при ).

Рис. 2.23. Принцип формирования эталонных сиг­налов

Этот сигнал поступает на выход декодера и по цепи обратной связи - на вход схемы управления, при­чем при поступлении 1 состояние соответствующего выхода схе­мы управления остается неизменным (1), а при поступлении О также изменяется на 0. В результате через тактов на выхо­дах схемы управления будет сформирована комбинация, для ко­торой (с учетом ошибки квантования).

При построении кодеров и декодеров (см. рис. 5.20 и 5.21) необ­ходимо использовать ФЭ, формирующие набор эталонных сигна­лов, причем соотношение между значениями двух соседних этало­нов равно . Общая идея построения таких устройств заключается в использовании одного высокостабильного эталонного источника сигнала и цепочки схем, имеющих коэффи­циент передачи(Р ис - 5.23). Такие схемы обычно имеют вид матрицы, реализуемой на прецизионных сопротивлениях двух но­миналов ().

В современных ЦСП применяются нелинейные кодирующие и декодирующие устройства (нелинейные кодеки), обеспечивающие кодирование и декодирование сигналов с неравномерной шкалой квантования при восьмиразрядном коде (=8). Для кодирования с неравномерной шкалой квантования могут использоваться сле­дующие способы:

аналоговое компандирование , характеризующееся компрессией динамического диапазона сигнала перед линейным ко­дированием, и экспандированием динамичес- кого диапазона сигнала после линейного декодирования;

нелинейное кодирование , характеризующееся кодированием сигнала в нелинейных кодерах, сочетающих функции аналого-цифрового преобразования и компрессора;

цифровое компандирование , характеризующееся кодированием сигнала в линейном кодере с большим числом разрядов с после­дующей нелинейной цифровой обработкой результата кодирования.

При аналоговом компандировании (рис. 2.24) на входе линей­ного кодера (ЛК) и выходе линейного декодера (ЛД) включаются соответственно аналоговые компрессор (АК) и экспандер (АЭ), обеспечивающие соответствующее нелинейное преобразование ана­логового сигнала (см. рис. 2.15). В качестве базового элемента для построения АК. и АЭ двуполярных сигналов может использо­ваться двухполюсник (рис. 2.25).

Рис. 2.24. Принцип аналогового Рис. 2.25 Нелинейный двухполюсник компандирования анало­говых компандеров

С помощью резисторов обеспе­чиваются выбор нужного режима работы и выравнивание пара­метров схемы для положительных и отрицательных сигналов. Су­щественный недостаток данного способа заключается в том, что очень сложно добиться полностью взаимообратных амплитудных характеристик компрессора и экспандера, вследствие чего суммар­ная амплитудная характеристика системы компрессор-экспандер будет отличаться от линейной (см. рис. 2.15). Это неизбежно при­ведет к нелинейным искажениям передаваемых сигналов. Анало­говое компандирование использовалось на первых этапах разви­тия ЦСП, а в настоящее время не применяется.

Наиболее часто в современных ЦСП используются нелинейные кодеки, для удобства реализации которых на цифровых схемах целесообразно отказаться от плавной характеристики компрессии и заменить ее сегментированной характеристикой, представляющей собой кусочно-ломаную аппроксимацию плавной характеристики компрессии.

На рис. 2.26 приведена сегментированная А-характеристика компрессии для положительных сигналов (для области отрица­тельных значений сигнала она имеет аналогичный вид). Формаль­но общее число сегментов на полной характеристике (для отри­цательных и положительных сигналов) составляет 16, однако четыре центральных сегмента (по два в положительной и отрица­тельных областях) фактически образуют один сегмент, вследствие чего фактическое число сегментов равно 13. Поэтому такую харак­теристику называют характеристикой компрессии типа . Каждый из сегментов характеристики (см. рис. 5.26) содержит 16 шагов квантования, а их общее число равно 256 (по 128 для каждой полярности сигнала). При этом принята сле­дующая нумерация сегментов и шагов квантования N m внутри каждого сегмента: =0,1,2,... ,7 и =0, 1, 2,..., 15. Очевидно, что внутри каждого сегмента шаг квантования оказывается по­стоянным, т. е. осуществляется равномерное квантование, а при переходе к сегменту с большим порядковым номером шаг кванто­вания увеличивается в 2 раза, так как наклон сегмента умень­шается вдвое. Самый маленький шаг квантования () соответ­ствует двум первым сегментам (=0, 1) и оказывается равным . Для определения шага квантования в i-м сегмента можно пользоваться соотношением

Таким образом, максимальный шаг квантования (в седьмом сегменте) , т. е. в 64 раза превышает минимальный шаг.

Таким образом, коэффициент компандирования, определяемый как отношение наибольшого шага квантования к наименьшему, ра­вен , а выигрыш в помехозащищенности для слабых сигналов равен

Рис. 2.26. Характеристика компандирования типа А = 87,6/13

Типичная зависимость защищенности от шумов квантования от уровня сигнала (при гармоническом сигнале) для ха­рактеристики /1 = 87,6/13 приведена на рис. 2.27. Для слабых сиг­налов, не выходящих за пределы нулевого и первого сегментов, как видно из рис. 2.27, осуществляется равномерное квантование с минимальным шагом квантованияувеличивается с ростом, При переходе к второму сегменту шаг квантования уве­личивается в 2 раза, т. е. становится равным , вследствие чегорезко уменьшается, а затем в пределах данного сегмента возрастает с ростом, поскольку внутри сегмента осуществляется, равномерное квантование. Такой характер изменениянаблюдается и при переходе ко всем последующим сегментам. После попадания сигнала в зону ограничения защищенность резко па­дает за счет перегрузки кодера.

Структура кодовой комбинации, формируемой на выходе ко­дера с характеристикой А = 87,6/13, имеет вид PXYZABCD, где Р - знаковый символ (1-для положительных сигналов, 0 - для отрицательных); XYZ - символы кода номера сегмента N c \ ABCD - символы кода номера шага внутри сегмента (см. рис. 2.26). Если, например, положительный отсчет на входе кодера имеет амплитуду, соответствующую девятому шагу квантования в шестом сегменте, то на выходе кодера будет сформирована ком­бинация 11101001 (P=l, XYZ=110, так как=6, ABCD = 1001, так как =9).

Рис. 2.27. Зависимость Рис. 2.28. Нелинейный кодер

взвешивающего типа

Схемы и принцип действия нелинейных кодеков взвешиваю­щего типа в основном те же, что и у линейных кодеков. Наиболь­шее отличие заключается в последовательности включения эта­лонных источников в процессе кодирования исходного сигнала.

Для кодирования сигнала одной полярности в формирователе эталонных сигналов кодера необходимо формировать 11 эталон­ных сигналов. На рис. 2.28 представлена упрощенная структурная схема нелинейного кодера взвешивающего типа, содержащая схему сравнения (СС), схему переключения и суммирования эталонов (СПСЭ), две схемы формирования эталонных сигналов ( и ) для положительных и отрицательных отсчетов, управляю­щую логическую схему (УЛС). Кодирование осуществляется в те­чение восьми тактов, в каждом из которых формируется один из символов кодовой комбинации. При этом можно выделить три следующих этапа:

формирование знакового символа Р (такт 1);

формирование.кода номера сегмента XYZ (такты 2-4);

формирование кода номера шага внутри сегмента ABCD (так­ты 5-8).

В первом такте определяется знак поступившего на вход ко­дера очередного о.тсчета. Если отсчет положительный, то форми­руется Р=1 и к схеме подключается, а в противном случае формируется Р = 0 и к схеме подключается ФЭ 2 .

Формирование кода номера сегмента осуществляется следую­щим образом (рис. 2.29).

Во втором такте УЛС с помощью СПСЭ обеспечивает подачу на вход СС эталонного сигнала , соответствующего нижней границе четвертого сегмент Если ампли­туда отсчета, то принимается решение, что от­счет попадает в один из четырех старших сегментов (=4 ...7), формируется очередной символ Х=1, который по цепи обратной связи поступает на вход УЛС. Если же, то при­нимается решение, что отсчет попадает в один из четырех младших сегментов (=0... 3), и формируется символ Х = 0, который по цепи обратной связи поступает на вход УЛС.

В третьем такте формируется третий символ комбинации (Y). В зависимости от значения предыдущего символа (X) уточняется номер сегмента, в который попадает кодируемый отсчет. Если Х=1, то УЛС с помощью СПСЭ обеспечивает подачу на вход СС эта­лонного напряжения , соответствующего нижней гра­нице шестого сегмента (см. табл. 5.1). Если , то принимается решение, что отсчет попадает в один из двух старших сегментов (=6 или=7), и формируется очередной символ Y=l, который по цепи обратной связи поступает на вход УЛС. Если , то принимается решение, что отсчет попадает в четвертый или пятый сегмент, и формируется Y = 0. Если Х = 0, то УЛС с помощью СПСЭ обеспечивает по­дачу на вход СС эталонного напряжения, соответствую­щего нижней границе второго сегмента.

Если ,. то принимается решение, что отсчет попадает во второй и третий сегменты, и формируется Y=l. Если, то прини­мается решение, что отсчет попадает в один из двух младших сегментов, и формируется Y = 0.

В четвертом такте кодирования формируется символ Z, т. е. по­следний символ в коде номера сегмента. В зависимости от значе­ний предыдущих символов (XY) окончательно устанавливается номер сегмента, соответствующего данному отсчету. Так, если Х=1 и Y = 0, то включается эталонное напряжение, соответствующее нижней границе пятого сегмента. Если ==, то принимается решение, что отсчет попадает в пятый сегмент, формируется символ Z=l и эталонное напряжение= =остается включенным до конца процесса кодирования данного отсчета. Если , то принимается решение, что отсчет попадает в четвертый сегмент, формируется Z = 0 и до конца процесса кодирования включается, соответствующее нижней границе четвертого сегмента.

Рис. 2.29. Алгоритм формирования кода номера

сегмента

В результате после четырех тактов кодирования сформируются четыре символа комбинации (PXYZ) и к СС подключится одно из восьми эталонных напряжений, соответствующих нижней границе сегмента, в который попадает кодируемый отсчет.

В оставшихся четырех тактах последовательно формируются символы ABCD кодовой комбинации, значение которых зависит от номера шага квантования внутри сегмента, соответствующего ам­плитуде кодируемого отсчета. Поскольку внутри любого сегмента осуществляется равномерное квантование, то процесс кодирова­ния реализуется, как и в линейных кодерах взвешивающего типа, с помощью последовательного включения эталонных напряжений, соответствующих данному сегменту.

Так, если на вход кодера поступил положительный отсчет с амплитудой, то после первых четырех тактов сформируются символы PXYZ= 1110 и к СС подключится эталонное напряжение, соответствующее нижней границе шестого сегмента. В пятом такте к этому эталонному сигналу добавится максимальное эталонное напряжение , соответствующее старшему символу (А) в коде номера шага квантования для шестого сегмента. Так как , то формируется символ А = 0 и вместо "" ~~ в шестом такте подключается эталонное напряжение следующего разряда = =. Поскольку, то на выходе СС формируется символ В=1, эталонное напряжение не из­меняется и в следующем седьмом такте подключается эталонное напряжение очередного разряда .

Так как ==, формируется символ С = 0 и эталонное напряжение данного разряда () отключается.

В последнем такте подключается эталонное напряжение младшего символа (D) . Поскольку +-, формируется символ D = l и процесс кодирования данного отсчета заканчивается. Таким образом, на выходе кодера будет сформирована кодовая комбинация 11100101.

Как отмечалось выше, в процессе кодирования могут исполь­зоваться 11 эталонных сигналов, однако к моменту завершения процесса кодирования любого отсчета окажутся включенными не более пяти эталонных сигналов (один из них соответствует ниж­ней границе сегмента, не более четырех - эталонным сигналам в пределах соответствующего сегмента).

Рис. 2.30. Принцип цифрового компандирования

В рассмотренном случае окажутся включенными только три эталонных сигнала (512δ 0 ,128 δ 0 и 32 δ 0). Следует иметь в виду, что амплитуда кодируемого отсчета не всегда может быть точно уравновешена эталонными сигналами, как 1 в рассмотренном примере. В общем случае неизбежно будет возникать ошибка квантования £/ ош.кв, максимальное значение ко­торой равно половине шага квантования в пределах соответствую­щего сегмента, т. е. для нулевого и первого сегмен­тов (для слабых сигналов) идля седьмого сегмента (сильный сигнал).

Рассмотрим особенности третьего способа кодирования с нерав­номерной шкалой квантования, т. е. цифрового компандирования.

При цифровом компандировании (рис. 2.30) осуществляется линейное (равномерное) кодирование (ЛК) с большим числом разрядов (например,=12) с последующим цифровым преобра­зованием (цифровым компрессированием ЦК) с помощью логиче­ских устройств в восьмиразрядный нелинейный код, имеющий ту же структуру, что и при использовании нелинейного кодера с ха­рактеристикой компрессии типа (см. рис. 5.26). Способ преобразования 12-разрядных кодовых комбинаций линейного кода в 8-разрядные комбинации нелинейного кода показан в- табл. 5.2. Первый разряд (Р) остается без изменений и несет информацию о полярности сигнала. Значение символов XYZ, определяющих но­мер сегмента N c , соответствует числу нулей (/) в 12-разрядной комбинации между символом Р и символами АВСД (фактически символы XYZ представляют собой инверсированный натуральный трехразрядный.двоичный код величины ).

После формирования символов XYZ в восьмиразрядном коде символы ABCD переписы­ваются без изменений, а все остальные символы 12-разрядной комбинации отбрасываются вне зависимости от их значения, опре­деляя ошибку квантования.

Таблица 2.2

После формирования символов XYZ в восьмиразрядном коде символы ABCD переписы­ваются без изменений, а все остальные символы 12-разрядной комбинации отбрасываются вне зависимости от их значения, опре­деляя ошибку квантования. На приеме восстановление АИМ сиг­нала осуществляется с помощью цифрового экспандера (ЦЭ) и линейного декодера (ЛД).

Нелинейное декодирование осуществляется аналогично линей­ному с учетом отмеченных особенностей нелинейного кодирования. Так, в процессе нелинейного декодирования, т. е. формирования АИМ отсчета с определенной амплитудой, по структуре кодовой комбинации (PXYZABCD) определяются знак отсчета и но-, мер сегмента (), после чего находится значение (с учетом того, что к декодированному сигналу с целью уменьшения ошибки квантования добавляется напряжение, равное половине шага кван­тования в данном сегменте):

где -эталонное напряжение, соответствующее нижней границесегмента;

Шаг квантования всегменте.

Если, например, на вход декодера поступает кодовая комби­нация 01010110 (т. е. Р = 0, =5, А = 0; В=1; С = 1, D = 0), то на выходе декодера будет сформирован АИМ отсчет с амплитудой +)_" =

Таким образом, в декодере в данном случае суммируются эта­лонные напряжения, равные.

Литература: Осн. 3 [ 8-21 ]

Доп. 6 [ 102-104 ]

Контрольные вопросы:

1.Симметричный и натуральный двоичный код

2.Нелинейное кодирование. Характеристика компандирования типа А=87,6/13. Схема нелинейного кодера.

3.Дифференциальная импульсно-кодовая модуляция

4.Дельта-модуляция

1.5 Кодирование сигналов

1.5.1 Основные виды и способы обработки

и кодирования данных

Этап подготовки информации связан с процессом формирования структуры информационного потока. Такая структура должна обеспечивать возможность передачи информации от объекта к субъекту (от источника к потребителю) по каналам коммуникаций посредством определенных сигналов или знаков, а также возможность однозначного понимания этих сигналов и обеспечения их записи на соответствующие носители информации. Для этого осуществляется кодирование сигналов.

Кодирование информации – одна из базовых тем курса теоретических основ информатики, отражающая фундаментальную необходимость представления информации в какой-либо форме. При этом слово "кодирование" понимается не в узком смысле – как способ сделать сообщение непонятным для всех, кто не владеет ключом кода, а в широком – как представление информации в виде сообщения на любом языке. В канале связи сообщение, составленное из символов (букв) одного алфавита, может преобразоваться в сообщение из символов (букв) другого алфавита.

Код – правило (алгоритм), сопоставляющее каждое конкретное сообщение (информацию) со строго определенной комбинацией различных символов (или соответствующих им сигналов).

Кодирование – процесс преобразования сообщения (информации) в комбинацию различных символов или соответствующих им сигналов, осуществляющийся в момент поступления сообщения от источника в канал связи.

Кодовое слово – последовательность символов, которая в процессе кодирования присваивается каждому из множеств передаваемых сообщений.

Декодирование – процесс восстановления содержания сообщения по данному коду.

Необходимым условием декодирования является взаимно однозначное соответствие кодовых слов во вторичном алфавите кодируемым символам первичного алфавита.

Устройство, обеспечивающее кодирование, называют кодировщиком.

Система кодирования – совокупность правил кодового обозначения объектов – применяется для замены названия объекта на условное обозначение (код) в целях обеспечения удобной и более эффективной обработки информации, т. е. кодирование – это отображение информации с помощью некоторого языка. Любой язык состоит из алфавита, включающего в себя буквы, цифры и другие символы, и правил составления слов и фраз (синтаксических правил).

Первичный алфавит – символы, при помощи которых записано передаваемое сообщении; вторичный – символы, при помощи которых сообщение трансформируется в код.

Код характеризуется длиной (числом позиций в коде) и структурой (порядком расположения символов, используемых для обозначения классификационного признака).

Неравномерные (некомплектные) коды – это коды, с помощью которых сообщения кодируются комбинациями с неравномерным количеством символов; равномерные (комплектные) – коды, с помощью которых сообщения представлены комбинациями с равным количеством символов.

5) Для хранения в ЭВМ информация кодируется. При выборе языка создатели руководствовались следующими соображениями:

Буквы алфавита должны надежно распознаваться (нельзя допустить, чтобы одна буква была принята за другую);

Алфавит должен быть как можно проще, т. е. содержать поменьше букв;

Синтаксис языка (правила построения слов и фраз) должен быть строгим, однозначным, не допускающим неопределенности.

6) Таким свойством обладают математические теории, в них все строго определено.

7) 1.5.2 Кодирование текста

Не возникает никаких проблем при кодировании информации, представимой с помощью ограниченного набора символов – алфавита. Достаточно пронумеровать все знаки этого алфавита и затем записывать в память компьютера и обрабатывать соответствующие номера. Самым простым алфавитом является тот, в котором всего две буквы, два символа.

При кодировании текста для каждого его символа отводится обычно 1 байт. Именно по этой причине ячейка памяти в компьютере сделана так, что может хранить сразу восемь бит (1 байт), т. е. целый символ. Это позволяет использовать 2 8 = 256 различных символов, так как в ЭВМ надо кодировать все буквы: английские – 52 буквы (прописные и строчные), русские – 66 букв, 10 цифр, знаки препинания, арифметических операций и т. п.:

9) Хорошо видно, что если у числа разрядность равна n, то количество n-разрядных чисел равно 2 n:

13) Чтобы закодировать порядка 256 букв и символов, требуется использовать 8-разрядные числа.

Соответствие между символом и его кодом может быть выбрано совершенно произвольно. Однако на практике необходимо иметь возможность прочесть на одном компьютере текст, созданный на другом, поэтому таблицы кодировок стараются стандартизовать. Практически все использующиеся сейчас таблицы основаны на "американском стандартном коде обмена информацией" ASCII. Он определяет значения для нижней половины кодовой таблицы – первых 127 кодов (32 управляющих кода, основные знаки препинания и арифметические символы, цифры и латинские буквы). В результате, эти символы отображаются верно, какая бы кодировка не использовалась на конкретном компьютере. Хуже обстоит дело с национальными символами и типографскими знаками препинания. А особенно не повезло языкам, использующим кириллицу (русскому, украинскому, белорусскому, болгарскому и т. д.).

Например, для русского языка сейчас широко используются пять таблиц кодировок:

CP866 (альтернативная DOS) – на PC-совместимых компьютерах при работе с операционными системами DOS и OS/2, а также в любительской международной сети Фидо (Fidonet);

CP1251 (Windows-кодировка) – на PC-совместимых компью-терах при работе под Windows 3.1 и Windows 95;

KOI-8r – самая старая из использующихся до сих пор кодировок. Применяется на компьютерах, работающих под UNIX, является фактическим стандартом для русских текстов в сети Internet;

Macintosh Cyrillic – предназначена для работы со всеми кириллическими языками на Макинтошах.

ISO-8859. Эта кодировка задумывалась как международный стандарт для кириллицы, однако на территории России практически не применяется.

14) Сейчас, когда объем памяти компьютеров чрезвычайно вырос, уже нет необходимости очень сильно "экономить" при кодировании текста. Можно позволить себе роскошь "тратить" для хранения текста вдвое больше памяти (выделяя для каждого символа не 1, а 2 байт). При этом появляется возможность разместить в кодовой таблице – каждый на своем месте – не только буквы европейских алфавитов (латинского, кириллицы, греческого), но и буквы арабского, грузинского и многих других языков и даже большую часть японских и китайских иероглифов, поскольку два байта могут хранить число от 0 до 65 535. Двухбайтная международная кодировка Unicode, разработанная несколько лет назад, теперь начинает внедряться на практике. В компьютере все составные части соединяются между собой с помощью шины (магистрали), т. е. пучка проводов.

15) Теперь нам должно стать понятно, почему шина содержит 8, 16 или 32 провода. Если в шине 8 проводов, то по ней можно передать одновременно 8 бит, т. е. 1 байт (1 символ) информации. Такой компьютер называется восьмиразрядным, (первые персональные компьютеры IBM).

16) Если в шине 16 проводов, то по ней можно передать одновременно 2 байт информации; если 32 провода – 4 байт, если 64 провода – 8 байт.

18) 1.5.3. Два способа кодирования изображения

Изображение на экране компьютера (или при печати с по-мощью принтера) составляется из маленьких точек – пикселов. Их так много, и они настолько малы, что человеческий глаз воспринимает картинку как непрерывную. Следовательно, качество изображения будет тем выше, чем плотнее расположены пиксели (т. е. чем больше разрешение устройства вывода) и точнее закодирован цвет каждого из них.

В простейшем случае каждый пиксел может быть или черным, или белым. Значит, для его кодирования достаточно одного бита. Однако при этом полутона приходится имитировать, чередуя черные и белые пиксели (заметим, что примерно так формируют полутоновое изображение на принтерах и при типографской печати). Чтобы получить реальные полутона, для хранения каждого пикселя нужно отводить большее количество разрядов. В этом случае черный цвет по-прежнему будет представлен нулем, а белый – максимально возможным числом. Например, при восьмибитном кодировании получится 256 разных значений яркости – 256 полутонов.

Сложнее обстоит дело с цветными изображениями, так как здесь нужно закодировать не только яркость, но и оттенок пикселя. Изображение на мониторе формируется путем сложения в различных пропорциях трех основных цветов: красного, зеленого и синего. Значит просто нам нужно хранить информацию о яркости каждой из этих составляющих.

Для получения наивысшей точности цветопередачи достаточно иметь по 256 значений для каждого из основных цветов (вместе это дает 256 3 – более 16 млн. оттенков). Во многих случаях можно обойтись несколько меньшей точностью цветопередачи. Если использовать для представления каждой составляющей по 5 бит (тогда для хранения данных пикселя будет нужно не 3, а 2 байт), удастся закодировать 32 768 оттенков.

На практике встречаются (и нередко) ситуации, когда гораздо важнее не идеальная точность, а минимальный размер файла: бывают изображения, где изначально используется небольшое количество цветов. В этих случаях поступают так: собирают все нужные оттенки в таблицу и нумеруют, после чего хранят уже не полный код цвета каждого пикселя, а номера (индексы) цветов в таблице. Чаще всего используют 256-цветные таблицы. В разных компьютерах могут быть приняты разные стандартные таблицы цветов, поэтому не исключено, что открыв полученный от кого-нибудь графический файл, можно увидеть совершенно немыслимую картинку.

При печати на бумаге используется несколько иная цветовая модель: если монитор испускает свет, то оттенок получается в результате сложения цветов, а краски поглощают свет – цвета вычитаются. Поэтому в качестве основных используют голубую, сиреневую и желтую краски. Кроме того, из-за неидеальности красителей к ним обычно добавляют четвертую краску – черную. Для хранения информации о каждой краске чаще всего используют 1 байт.

Растровые изображения очень хорошо передают реальные образы. Они замечательно подходят для фотографий, картин и в случаях, когда требуется максимальная "естественность". Такие изображения легко выводить на монитор или принтер, поскольку эти устройства тоже основаны на растровом принципе. Однако есть у них и ряд недостатков. Растровое изображение высокого качества (с высоким разрешением и большой глубиной цвета) может занимать десятки, и даже сотни мегабайт памяти. Для их обработки нужны мощные компьютеры, но и они нередко "задумываются" на десятки минут. Любое изменение размеров неизбежно приводит к ухудшению качества: при увеличении пикселы не могут появиться "из ничего", при уменьшении – часть пикселов будет просто выброшена.

Есть другой способ представления изображений – объектная (векторная) графика. В этом случае в памяти хранится не сам рисунок, а правила его построения, т. е., например, не все пикселы круга, а команда "построить круг радиусом 30 с центром в точке с координатами (50, 135) и закрасить его красным цветом". Быстродействия современных компьютеров вполне достаточно, чтобы перерисовка происходила почти мгновенно.

На первый взгляд, все становится гораздо более сложным. Зачем же это нужно? Во-первых, и это самое главное, векторное изображение можно как угодно масштабировать, выводить на устройства, имеющие любое разрешение, – и всегда будет получаться результат с наивысшим для данного устройства качеством, ведь картинка каждый раз "рисуется" заново, используя столько пикселов, сколько возможно.

Во-вторых, в векторном изображении все части (так называемые "примитивы") могут быть изменены независимо друг от друга: любой из них можно увеличить, повернуть, деформировать, перекрасить, даже стереть, но остальных объектов это никоим образом не коснется.

В-третьих, даже очень сложные векторные рисунки, содержащие тысячи объектов, редко занимают более нескольких сотен килобайт, т. е. в десятки, сотни, а то и тысячи раз меньше аналогичного растрового.

Но почему, если все так хорошо, векторная графика не вытеснила растровую? Сам принцип ее формирования предполагает использование объектов с исключительно ровными четкими границами, а это сразу выдает их искусственность, поэтому область применения векторной графики довольно ограничена – это чертежи, схемы, стилизованные рисунки, эмблемы и другие подобные изображения.

Вычислительной техники, а также принципы функционирования этих средств и методы управления ими. Из этого определения видно, что информатика очень близка к технологии, поэтому ее предмет нередко называют информационной технологией. Предмет информатики составляют следующие понятия: а) аппаратное обеспечение средств вычислительной техники; б) программное обеспечение средств вычислительной техники...

... » (Zero Administration Initiative), которая будет реализована во всех следующих версиях Windows. SMS- сервер управления системами У SMS две задачи - централизовать управление сетью и уп­ростить распространение программного обеспечения и его модернизацию на клиентских системах. SMS подойдет и ма­лой, и большой сети - это инструмент управления сетью на базе Windows NT, эффективно использующий...

1. Симметричный двоичный код.

2. Структура кода.

3. Принципы преобразования параллельного кода в последовательный

В процессе кодирования амплитуда каждого квантованного по уровню АИМ отсчета представляется в виде двоичной последова­тельности, содержащей т символов (m-разрадной кодовой ком­бинации). Для определения структуры комбинации в простейшем случае нужно в двоичном коде записать амплитуду АИМ. от­счета Я аим, выраженную в шагах квантования.

На рис. 5.1 приведены временные диаграммы, поясняющие процесс кодирования при использовании пятиразрядного двоич­ного кода. Амплитуда отсчетов, поступающих на вход кодера, в данном случае может принимать значения в диапазоне # аим = =0-31 условных шагов квантования, а на выходе кодера форми­руется цифровой сигнал с ИКМ, представляющий собой последо­вательность пятиразрядных кодовых комбинаций.

Как было показано выше, для качественной передачи телефон­ных сигналов при неравномерном квантовании необходимо исполь­зовать восьмиразрядный код (т=8, а при равномерном-12-раз­рядный (т=12). На практике находят применение двоичные коды следующих типов: натуральный двоичный код, симметричный двоичный код, рефлексный двоичный код (код Грея).

Симметричный двоичный код в основном исполь­зуется при кодировании двуполярных сигналов (например, теле­фонных). Структура кода и кодовая таб­лица, соответствующая данному коду. Для всех положительных отсчетов знаковый символ имеет значение 1, а для отрицатель­ных 0. Для положительных и отрицательных отсчетов, равных по амплитуде, структуры кодовых комбинаций полностью совпадают (за исключением знакового разряда), т. е. код является симмет­ричным. Например, максимальному положительному сигналу со­ответствует код 11111111, а максимальному отрицательному - 01111111. Абсолютное значение шага квантования 6=Ј/ O rp/2 m ~ 1 .

Натуральный двоичный код в основном используется пои кодировании однополярных сигналов. Показаны структура кода и кодовая таблица, соответствующая данному коду (при т-Ь). Очевидно, что число комбинаций различной структуры равно 256, причем минимальному сигналу соответствует комбинация 00000000, а максимальному -11111111. Абсолютное значение шага квантования 6=£/ огр /2 т.

С помощью натурального двоичного кода можно кодировать и-двуполярные сигналы, обеспечив предварительно их смещение. В этом случае, очевидно, изменяется ампли­туда кодируемых отсчетов, причем переход от амплитуды от* счета Н с> выраженной в шагах квантования, при использования симметричного кода к амплитуде этого же отсчета Я» при исполь­зовании натурального кода и наоборот можно осуществить сле­дующим образом:

|Я„-128 при Н а >\2$, с (# н _127 при Я н <128; Ян 1Я с +127 при Я с <0.

Натуральный и симметричный двоичные коды являются наи­более простыми. Как для натурального, так и для симметричного кода ошибка в одном из символов может привести к значительным искажениям сигнала. Если, например, в кодовой комбинации вида 11010011 ошибка произошла в пятом разряде, т. е. принята комбинация 11000011, то амплитуда отсчета будет меньше истин­ного значения на 2 4 =16 условных шагов квантования. Наиболее опасными, очевидно, будут ошибки в старших разрядах (Ре» Р;Ь

Рассмотрим принципы построения кодирующих и декодирую­щих устройств, которые могут быть линейными и нелинейными.

Линейным кодированием называется кодирование равномерно квантованного сигнала, а нелинейным - неравномерно кван­тованного сигнала.

Рис. 5.1. Принципы преобразования па* раллелыюго кода в последовательный (а) и

По принципу действия кодеры делятся на кодеры счетного типа, матричные» взвешивающего типа и др. В ЦСП чаще всего используются кодеры взвешивающего типа, среди которых про­стейшим является кодер поразрядного взвешивания (рис. 5.20), на выходах которого формируется натуральный двоичный код. Принцип работы таких кодеров заключается в уравновешивании кодируемых отсчетов суммой эталонных токов (напряжений) с оп­ределенными весами. Схема линейного кодера поразрядного взве­шивания содержит восемь ячеек (при т=*8), обеспечивающих формирование значения соответствующего разряда (1 или 0). В со­став каждой ячейки (за исключением последней, соответствующей младшему по весу разряду) входят схема сравнения СС (компа­ратор) и схема вычитания (СВ).

Если, например, на вход кодера поступает отсчет с амплиту­дой И аим = 1746, то ССе формирует Р«-1 и на вход седьмой ячейки поступит сигнал с амплитудой H" Aim =1746-1286=466. На выходе СС7 получим Рт-О, и на вход.третьей ячейки кодера посту­пит сигнал с той же амплитудой #д ИМ =466. На выходе ССе полу­чим Ре- 1, и на вход следующей ячейки поступит сигнал с #^ им *=

466--326=146 и т. д. В результате будет сформирована кодовая комбинация вида 10101110 (первый разряд - старший по весу).

При кодировании двуполярных сигналов в кодере необходимо иметь две схемы формирования эталонов (ФЭ) для кодирования положительных и отрицательных отсчетов.

В процессе декодирования сигнала m-разрядные кодовые ком­бинации преобразуются в АИМ отсчеты с соответствующими ам­плитудами. Сигнал на выходе декодера может быть получен в результате суммирования эталонных сигналов (С/ эт) тех разрядов кодовой комбинации, значение которых равно 1. Так, если на вход декодера поступает кодовая комбинация 10101110, то амплитуда АИМ отсчета на выходе декодера #аим =1286 + 325 + 86+45 + 23 = -1746.

Структурная схема линейного декодера взвешивающего типа представлена на рис. 5.2К Под воздействием управляющих сигна­лов, поступающих от генераторного оборудования, в регистр сдвига записывается очередная восьмиразрядная кодовая комбинация. После этого замыкаются только те ключи (Юн... Кл^), которые соответствуют разрядам, имеющим значение 1. В результате на вход сумматора от формирователя эталонных сигналов (ФЭ) по* ступают соответствующие эталонные сигналы, в результате чего на выходе сумматора формируется АИМ отсчет с определенной амплитудой.

Очевидно, что если в процессе передачи цифрового сигнала по линейному тракту в одном (или больше) разряде кодовой комби­нации произойдет ошибка, то амплитуда отсчета на выходе деко­дера будет отличаться от истинного значения. Если, например, в комбинации 10101110 произойдет ошибка в Р&, г* е* на вход де­кодера поступит комбинация 10001110, то амплитуда отсчета на выходе декодера Яаим =12864-86 + 46 + 26^ 1426, т. е. на 32& меньше истинной амплитуды отсчета, равной 1746.

При построении кодеров и декодеров необ­ходимо использовать ФЭ, формирующие набор эталонных сигна­лов, причем соотношение между значениями двух соседних этало­нов равно 2 (16,26,46,..., 1286). Общая идея построения таких устройств заключается в использовании одного высокостабильного эталонного источника сигнала и цепочки схем, имеющих коэффи­циент передачи /(=1/2). Такие схемы обычно имеют вид матрицы, реализуемой на прецизионных сопротивлениях двух но­миналов (R и 2R).

В современных 1ДСП применяются нелинейные кодирующие и декодирующие устройства (нелинейные кодеки)» обеспечивающие кодирование и декодирование сигналов с неравномерной шкалой квантования при восьмиразрядном коде (т-8). Для кодирования с неравномерной шкалой квантования могут использоваться сле­дующие способы:

аналоговое компандирование, характеризующееся компрессией (сжатием) динамического диапазона сигнала перед линейным ко­дированием, и экспандированием (расширением) динамического диапазона сигнала после линейного декодирования;

нелинейное кодирование, характеризующееся кодированием сигнала в нелинейных кодерах» сочетающих функции аналого-цифрового преобразования и компрессора;

цифровое компандирование, характеризующееся кодированием сигнала в линейном кодере с большим числом разрядов с после­дующей нелинейной цифровой обработкой результата кодирования.

При аналоговом командировании (рис. 5.24) на входе линей­ного кодера (ЛК) и выходе линейного декодера (ЛД) включаются соответственно аналоговые компрессор (АК) и экспандер (АЭ), обеспечивающие соответствующее нелинейное преобразование ана­логового сигнала (см. рис. 5.15).