Дискретизация аналоговых сигналов

⇐ ПредыдущаяСтр 8 из 27Следующая ⇒

Основной причиной дискретизации аналоговых сигналов является невозможность улучшения качества данных, переданных в аналоговой форме, если они существенно исказились при передаче. Поэтому на смену аналоговой технике записи и передачи звука и изображения пришла цифровая техника. В этой технике используется так называемая дискретная модуляция исходных непрерывных во времени аналоговых процессов.

Импульсно-кодовая модуляция ( PCM )

Дискретные способы модуляции основаны на дискретизации непрерывных процессов, как по амплитуде, так и по времени (рис. 9.6).

Устройство, которое выполняет подобную функцию, называется аналого-цифровым преобразователем (АЦП). После этого замеры передаются по линиям связи в виде последовательности единиц и нулей.

На приемной стороне линии коды преобразуются в исходную последовательность битов, а специальная аппаратура, называемая цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП), производит демодуляцию оцифрованных амплитуд, восстанавливая исходную непрерывную функцию времени.

Дискретная модуляция основана на теории отображения Найквиста. В соответствии с этой теорией, аналоговая непрерывная функция, переданная в виде последовательности ее дискретных по времени значений, может быть точно восстановлена, если частота дискретизации была в два или более раз выше, чем частота самой высокой гармоники спектра исходной функции.

Методы кодирования

Выбор способа кодирования

При выборе способа кодирования нужно одновременно стремиться к достижению нескольких целей:

□ минимизировать ширину спектра сигнала, полученного в результате кодирования;

□ обеспечивать синхронизацию между передатчиком и приемником;

□ обеспечивать устойчивость к шумам;

□ обнаруживать и по возможности исправлять битовые ошибки;

□ минимизировать мощность передатчика.

Более узкий спектр сигнала позволяет на одной и той же линии (с одной и той же полосой пропускания) добиваться более высокой скорости передачи данных.

Синхронизация нужна для того, чтобы приемник точно знал, в какой момент времени необходимо считывать новую порцию информации с линии связи. В сетях для синхронизации применяются так называемые самосинхронизирующиеся коды, сигналы которых несут для приемника указания о том, в какой момент времени нужно осуществлять распознавание очередного бита (или нескольких битов, если код ориентирован более чем на два состояния сигнала). Любой резкий перепад сигнала — фронт — может служить указанием на необходимость 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 очередного такта.

Распознавание и коррекцию искаженных данных сложно осуществить средствами физического уровня, c 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 битов внутри кадра.

Рассмотрим популярные методы дискретного кодирования:

Рис. 8.3. Способы дискретного кодирования данных

Потенциальный код NRZ

Рисунок 8.3, а иллюстрирует метод потенциального кодирования, называемый также кодированием без возвращения к нулю (Non Return to Zero, NRZ) - передаче последовательности единиц сигнал не возвращается к нулю в течение такта.

Биполярное кодирование AMI

Одной из модификаций метода NRZ является метод биполярного кодирования с альтернативной инверсией (Alternate Mark Inversion, AMI). В этом методе применяются три уровня потенциала — отрицательный, нулевой и положительный (рис. 8.3, б). 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.

Потенциальный код NRZI

Данных код, похож на AMI, но только с двумя уровнями сигнала. 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 (Non Return to Zero with ones Inverted, NRZI). Он удобен в тех случаях, когда наличие третьего уровня сигнала весьма нежелательно, например в оптических кабелях, где устойчиво распознаются только два состояния сигнала — свет и темнота.

Для улучшения потенциальных кодов, подобных AMI и NRZI, используются два метода. Первый метод основан на добавлении в исходный код избыточных битов, 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 скремблерами. При скремблировании используется известный алгоритм, поэтому приемник, получив двоичные данные, передает их на дескремблер, который восстанавливает исходную последовательность битов.

Биполярный импульсный код

В сетях так же используются импульсные коды, в которых данные представлены полным импульсом или же его частью — фронтом. Наиболее простым случаем такого подхода является биполярный импульсный код, в котором единица представляется импульсом одной полярности, а ноль — другой (рис. 8.3, в). Каждый импульс длится половину такта.

Манчестерский код

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.

Манчестерский код применяется в технологиях Ethernet и Token Ring.

Потенциальный код 2B1Q

На рис. 8.3, д показан потенциальный код с четырьмя уровнями сигнала для кодирования данных. Это код 2B1Q — каждые два бита (2В) передаются за один такт (1) сигналом, имеющим четыре состояния (Q — Quadra). Паре битов 00 соответствует потенциал -2, 5 В, паре 01 — потенциал -0, 833 В, паре 11 — потенциал +0, 833 В, а паре 10 — потенциал +2, 5 В.

Для улучшения потенциальных кодов типа AMI, NRZI или 2Q1B используются избыточные коды и скремблирование.

Избыточный код 4В/5В

Избыточные коды основаны на разбиении исходной последовательности битов на порции, которые часто называют символами. Затем каждый исходный символ заменяется новым с большим количество битов, чем исходный.

Например, в логическом коде 4В/5В, используемом в технологиях FDDI и Fast Ethernet, исходные символы длиной 4 бит заменяются символами длиной 5 бит. Помимо устранения постоянной составляющей и придания коду свойства самосинхронизации, избыточные коды позволяют приемнику распознавать искаженные биты. Если приемник принимает запрещенный код, значит, на линии произошло искажение сигнала.

Скремблирование

Скремблирование заключается в побитном вычислении результирующего кода на основании битов исходного кода и полученных в предыдущих тактах битов результирующего кода.

Коды, полученные из потенциального кода путем логического кодирования, обладают более узким спектром, чем манчестерский код, даже при повышенной тактовой частоте. Этим объясняется преимущественное применение потенциальных избыточных и скремблированных кодов в современных технологиях, подобных FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, ISDN и т. п. вместо манчестерского и биполярного импульсного кодирования.

Компрессия данных

Компрессия, или сжатие, данных применяется для сокращения времени их передачи. Выгоды от сокращения времени на передачу сжатых данных обычно бывают заметны только на низкоскоростных каналах (около 64 Кбит/с).

Общие алгоритмы компрессии данных:

Когда данные состоят только из чисел, значительную экономию можно получить путем уменьшения количества используемых на цифру битов с 7 до 4, используя простое двоичное кодирование десятичных цифр вместо кода ASCII. Этот метод носит название десятичной упаковки.

Часто передаваемые данные содержат большое количество повторяющихся байтов. При этом передатчик сканирует последовательность передаваемых байтов, и если обнаруживает последовательность из трех или более одинаковых байтов, заменяет ее специальной трехбайтовой последовательностью, в которой указывает значение байта, количество его повторений, а также отмечает начало этой последовательности специальным управляющим символом. Этот метод носит название символьного подавления.

В методе кодирования с помощью кодов переменной длины используется тот факт, что не все символы в передаваемом кадре встречаются с одинаковой частотой. Поэтому во многих схемах кодирования коды часто встречающихся символов заменяют кодами меньшей длины, а редко встречающихся — кодами большей длины. Такое кодирование называется также статистическим кодированием. Из-за того что символы имеют разную длину, для передачи кадра возможна только бит-ориентированная передача. При статистическом кодировании коды выбираются таким образом, чтобы при анализе последовательности битов можно было бы однозначно определить соответствие определенной порции битов тому или иному символу.

Одним из наиболее распространенных алгоритмов, на основе которых строятся неравномерные коды, является алгоритм Хафмана, позволяющий строить коды автоматически на основании известных частот появления символов.

Реальный коэффициент компрессии зависит от типа передаваемых данных. Так, графические и текстовые данные обычно сжимаются хорошо, а коды программ — хуже.

⇐ Предыдущая 3 4 5 6 789 10 11 12 Следующая ⇒