کدگذاری سیگنال انواع و روش های رمزگذاری داده ها

ساده ترین رمزگذارها / رمزگشاهای گفتار که به هیچ وجه از اطلاعات مربوط به نحوه شکل گیری سیگنال رمزگذاری شده استفاده نمی کنند، بلکه سعی می کنند سیگنال بازسازی شده را تا حد امکان از نظر شکل به اصلی نزدیک کنند. رمزگذارها / رمزگشاهای شکل موج... از نظر تئوری، آنها نسبت به ماهیت سیگنال ارائه شده به ورودی خود تغییری ندارند و می توانند برای رمزگذاری هر سیگنال، از جمله غیر گفتاری، استفاده شوند. این انکودرها در اصل عملکرد و دستگاه ساده ترین هستند، اما نمی توانند نرخ فشرده سازی بالا (نرخ کد پایین) را ارائه دهند.

ساده ترین راه برای رمزگذاری شکل موج به اصطلاح است مدولاسیون کد پالس– ICM (یا PCM - مدولاسیون کد پالس)، هنگام استفاده از آن به سادگی نمونه برداری و کمی سازی یکنواخت سیگنال ورودی و همچنین تبدیل نتیجه به یک کد باینری یکنواخت انجام می شود.

برای سیگنال های گفتاری با پهنای باند استاندارد 0.3 تا 3.5 کیلوهرتز برای انتقال گفتار، معمولاً از فرکانس نمونه برداری استفاده می شود. دیسک F ³2 F max = 8 کیلوهرتز به طور تجربی نشان داده شده است که با کوانتیزاسیون یکنواخت، برای به دست آوردن یک کیفیت گفتاری تقریبا ایده آل، لازم است سیگنال را حداقل 2000 ± سطح کوانتی کنیم، به عبارت دیگر، برای نمایش هر نمونه، 12 بیت و کد حاصل مورد نیاز است. نرخ خواهد بود

آر= 8000 نمونه / ثانیه * 12 بیت / نمونه = 96000 bps = 96 kbps.

استفاده كردن کوانتیزاسیون ناهموار(در نتیجه برای سطوح سیگنال کوچک دقیق تر و برای سطوح سیگنال بزرگ درشت تر است به طوری که خطای کوانتیزاسیون نسبی برای تمام سطوح سیگنال ثابت است، می توانید همان کیفیت ذهنی بازیابی سیگنال گفتار را بدست آورید، اما با تعداد بسیار کمتری از سطوح کوانتیزاسیون - حدود 128 ±. در این حالت، برای نمایش باینری نمونه های سیگنال، 8 بیت مورد نیاز است و نرخ کد حاصل 64 کیلوبیت بر ثانیه خواهد بود.

با در نظر گرفتن ویژگی های آماری سیگنال گفتار (نوع توزیع احتمال مقادیر لحظه ای)، و همچنین ویژگی های غیر خطی شنوایی، که صداهای ضعیف را بسیار بهتر متمایز می کند، مقیاس کوانتیزاسیون لگاریتمی بهینه است که به عنوان یک استاندارد پذیرفته شد. در اواسط دهه 60 میلادی و امروزه به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد. ... درست است، در ایالات متحده آمریکا و اروپا، استانداردهای کوانتیزاسیون غیرخطی تا حدودی متفاوت است (ترکیب m-law و فشرده سازی A-law)، که منجر به نیاز به کدگذاری مجدد سیگنال ها می شود.

بنابراین، نقطه شروع برای هر مقایسه بازده و کیفیت کدگذاری سیگنال های گفتار می تواند نرخ کد 64 کیلوبیت بر ثانیه باشد.

تکنیک بعدی که به شما امکان می دهد نرخ کد حاصل را کاهش دهید می تواند تلاشی برای پیش بینی مقدار نمونه فعلی سیگنال از چندین مقدار قبلی آن باشد و سپس رمزگذاری خود نمونه نیست، بلکه خطاهای پیش بینی آن است. - تفاوت بین مقدار واقعی نمونه فعلی و مقدار پیش بینی شده آن... اگر دقت پیش‌بینی به اندازه کافی بالا باشد، خطای پیش‌بینی نمونه بعدی بسیار کمتر از مقدار خود نمونه خواهد بود و تعداد بیت‌های بسیار کمتری برای رمزگذاری آن مورد نیاز است. به این ترتیب، هرچه رفتار سیگنال کدگذاری شده قابل پیش بینی تر باشد، فشرده سازی آن کارآمدتر خواهد بود.

ایده توصیف شده زیر بنای به اصطلاح مدولاسیون کد پالس دیفرانسیل - DICM (DPCM ) - یک روش کدگذاری که در آن مقادیر سیگنال خود کدگذاری نمی شوند، بلکه آنها رمزگذاری می شوند. تفاوت از برخی مقادیر پیش بینی شدهساده ترین راه برای پیش بینی این است با استفاده از نمونه قبلی سیگنال به عنوان پیش بینی مقدار فعلی آن:

x * i = x i –1, e i = x i - x * I . (8.10)

این به اصطلاح است پیش بینی مرتبه صفر، ساده ترین و در عین حال کم دقت ترین است. بدیهی است که دقیق تر، پیش بینی نمونه فعلی بر اساس ترکیب خطی دو نمونه قبلی و غیره خواهد بود:

x * i = å a k x i - k, e i = x i - x * I . (8.11)

متأسفانه، دقت پیش‌بینی همیشه با افزایش ترتیب پیش‌بینی افزایش نمی‌یابد، زیرا ویژگی‌های سیگنال بین نمونه‌ها از قبل شروع به تغییر می‌کنند، بنابراین، آنها معمولاً محدود به پیش‌بینی بالاتر از مرتبه 2 - 3 نیستند.

در شکل 8.16 و 8.17 نمودار هستند DICM رمزگذار و رمزگشا

هنگام کدگذاری سیگنال های گفتاری، با در نظر گرفتن درجه پیش بینی پذیری کوتاه مدت آنها (برای چندین نمونه متوالی)، نرخ کد حاصل برای DICM (DPCM ) معمولاً 5 تا 6 بیت در هر نمونه یا 40 تا 48 کیلوبیت در ثانیه است.

بهره وری DICM اگر پیش‌بینی و کوانتیزه کردن سیگنال نه بر اساس برخی از ویژگی‌های متوسط ​​آن، بلکه با در نظر گرفتن مقدار فعلی و تغییرات در طول زمان، یعنی به صورت تطبیقی ​​انجام شود، می‌تواند اندکی افزایش یابد. بنابراین، اگر سرعت تغییر سیگنال بیشتر شده است، می توانید مرحله کوانتیزه شدن را افزایش دهید، و برعکس، اگر سیگنال شروع به تغییر بسیار کندتر کرد، اندازه مرحله کوانتیزاسیون را می توان کاهش داد. در این حالت خطای پیش‌بینی کاهش می‌یابد و بنابراین با بیت‌های کمتری در هر نمونه کدگذاری می‌شود. این روش کدگذاری نامیده می شود انطباقی DICM ، یا ADICM (ADPCM ). امروزه، این روش کدگذاری استاندارد شده است و به طور گسترده در فشرده سازی گفتار در سیستم های ارتباطی دیجیتال از راه دور، در یک سیستم ارتباطی میکروسلولی استفاده می شود. DECT ، در تلفن های بی سیم دیجیتال و غیره. استفاده ADICM با نرخ کد 4 بیت / نمونه یا 32 کیلوبیت بر ثانیه همان کیفیت گفتار ذهنی 64 کیلوبیت در ثانیه را ارائه می دهد - ICM ، اما با نصف نرخ کد.

امروزه آنها نیز استاندارد شده اند ADICM - کدک های 40، 24 و 16 کیلوبیت بر ثانیه (در مورد دوم، با کیفیت سیگنال کمی بدتر از 32 کیلوبیت در ثانیه - ADPCM). بنابراین، می توان مشاهده کرد که فشرده سازی سیگنال های گفتاری بر اساس کدگذاری شکل آنها، در بهترین حالت، کاهشی دو تا سه برابری در نرخ کد ایجاد می کند. کاهش بیشتر در نرخ منجر به بدتر شدن شدید کیفیت سیگنال رمزگذاری شده می شود.

رمزگذارهای شکل موجی که در بالا توضیح داده شد از یک رویکرد صرفاً زمانی برای توصیف این شکل موج استفاده کردند. با این حال، رویکردهای دیگری نیز ممکن است. یک مثال به اصطلاح است کدنویسی زیر باند(کدگذاری زیر باند - SBC ، که در آن سیگنال ورودی به چندین محدوده فرکانسی (زیر باند) تقسیم می شود (یا فیلتر می شود) و سیگنال در هر یک از این زیر باندها به طور جداگانه کدگذاری می شود، به عنوان مثال، با استفاده از تکنیک ADICM .

از آنجایی که هر یک از زیر باندهای فرکانس پهنای باند باریکتری دارند (همه زیر باندها به پهنای باند سیگنال اصلی اضافه می شوند)، بنابراین نرخ نمونه برداری در هر زیر باند نیز کمتر خواهد بود. در نتیجه، نرخ کل همه کدها حداقل بیشتر از نرخ کد سیگنال اصلی نخواهد بود. با این حال، این تکنیک دارای مزایای خاصی است. واقعیت این است که حساسیت ذهنی شنیدن به سیگنال ها و اعوجاج آنها در فرکانس های مختلف متفاوت است. در فرکانس های 1 تا 1.5 کیلوهرتز حداکثر است و در فرکانس های پایین تر و بالاتر کاهش می یابد. بنابراین، اگر سیگنال در محدوده حساسیت شنوایی بالاتر با دقت بیشتری کوانتیزه شود، و در محدوده حساسیت کم با دقت بیشتری کوانتیزه شود، می توان یک بهره در نرخ کد حاصل به دست آورد. در واقع، هنگام استفاده از فناوری کدنویسی زیر باندکیفیت خوبی از گفتار رمزگذاری شده با نرخ کد 16 - 32 کیلوبیت بر ثانیه به دست آمد. به نظر می رسد رمزگذار تا حدودی پیچیده تر از یک ADPCM ساده است، با این حال، بسیار ساده تر از سایر روش های موثر فشرده سازی گفتار است.

یک نمودار ساده از چنین رمزگذار (تقسیم شده به 2 زیر باند) در شکل نشان داده شده است. 8.18.

کدگذاری نزدیک به زیر باند یک روش فشرده سازی است که مبتنی بر اعمال تبدیل های خطی به یک سیگنال است، به عنوان مثال، تبدیل کسینوس یا سینوسی گسسته. به اصطلاح فناوری برای رمزگذاری گفتار استفاده می شود. ATC (کدگذاری تبدیل تطبیقی)، که در آن سیگنال به بلوک‌ها تقسیم می‌شود، یک تبدیل کسینوس گسسته به هر بلوک اعمال می‌شود و ضرایب به‌دست‌آمده مطابق با ماهیت طیف سیگنال به‌طور تطبیقی ​​کوانتیزه می‌شوند.

هر چه ضرایب تبدیل معنی دارتر باشند، بیت های بیشتری کدگذاری می شوند. تکنیک بسیار شبیه به Jpeg اما برای سیگنال های گفتاری کاربرد دارد. نرخ کد به دست آمده با چنین کدگذاری 12-16 کیلوبیت بر ثانیه با کیفیت سیگنال کاملا رضایت بخش است. این روش به طور گسترده برای فشرده سازی گفتار مورد استفاده قرار نگرفت، زیرا روش های کدگذاری بسیار کارآمدتر و با استفاده آسان تر شناخته شده است.

برنج. 8.18. نمودار برای توضیح کدگذاری زیر باند

دسته بزرگ بعدی کدگذارهای گفتار، کدگذاران منبع هستند.

کد نویسی منبع

بر خلاف رمزگذارهای شکل موجکه اصلاً از اطلاعاتی در مورد نحوه تشکیل سیگنال رمزگذاری شده استفاده نمی کنند، رمزگذارهای منبعمبتنی هستند دقیقا روی مدل منبعو از سیگنال کدگذاری شده اطلاعات مربوط به پارامترهای این مدل استخراج می شود. که در آن نتیجه کدگذاری کدهای سیگنال نیست، بلکه کدهای پارامتر منبع این سیگنال ها است.کدگذارهای منبع برای کدگذاری گفتار نامیده می شوند کدهای صوتی(کدگذارهای صوتی) و مانند این کار کنید. دستگاه سازنده صدا به عنوان یک فیلتر خطی با پارامترهای متغیر با زمان نشان داده می شود که یا توسط یک منبع نویز سفید (هنگام تشکیل صامت ها) یا توسط دنباله های پالس با دوره گام (هنگام تشکیل حروف صدادار) تحریک می شود - شکل. 8.19.

مدل خطی سیستم تولید گفتار و پارامترهای آن را می توان به روش های مختلفی یافت. و نوع Vocoder بستگی به نحوه تعیین آنها دارد.

اطلاعاتی که Vocoder در نتیجه تجزیه و تحلیل سیگنال گفتار دریافت می کند و به رمزگشا ارسال می کند. پارامترهای فیلتر تولید کننده گفتار، نشانگر صدای واکه / ناگفته، قدرت سیگنال تحریک و دوره تناوب برای واکه ها... این پارامترها باید هر 10 تا 20 میلی ثانیه به روز شوند تا ثابت نبودن سیگنال گفتار ردیابی شود.

یک Vocoder، بر خلاف یک رمزگذار شکل موج، سعی می کند سیگنالی شبیه گفتار اصلی تولید کند و به تفاوت بین شکل موج و اصلی توجه نمی کند. که در آن سرعت حاصل از کد در خروجی آن معمولاً بیشتر از 2.4 کیلوبیت بر ثانیه، یعنی پانزده برابر کمتر از ADICM ! متأسفانه کیفیت گفتار ارائه شده توسط صداگذارها بسیار دور از ایده آل است، اگرچه صدای آن کاملاً قابل درک است، اما کاملاً غیر طبیعی است. در عین حال، حتی افزایش قابل توجهی در نرخ کد عملاً کیفیت گفتار را بهبود نمی بخشد، زیرا یک مدل بسیار ساده از سیستم تولید گفتار برای کدگذاری انتخاب شده است. به خصوص خشن این فرض است که گفتار فقط از حروف صدادار و صامت تشکیل شده است، که هیچ حالت میانی را اجازه نمی دهد.

Vocoders عمدتا در زمینه نظامی استفاده می شود، جایی که نکته اصلی طبیعی بودن گفتار نیست، بلکه میزان فشرده سازی آن و نرخ کد بسیار پایین است که به طور موثر در برابر رهگیری محافظت می کند و گفتار ارسال شده را طبقه بندی می کند. بیایید نگاهی گذرا به انواع شناخته شده اصلی صداگذارها بیندازیم.

کدهای صوتی کانالاین قدیمی‌ترین نوع کد صوتی است که در اوایل سال 1939 ارائه شد. این Vocoder از حساسیت کم شنوایی انسان به تغییرات جزئی فاز (زمان) در سیگنال بهره می برد.

برای بخش های گفتاری با طول تقریباً 20 تا 30 میلی ثانیه، طیف دامنه با استفاده از مجموعه ای از فیلترهای باند باریک تعیین می شود. هرچه تعداد فیلترها بیشتر باشد، طیف بهتر تخمین زده می‌شود، اما بیت‌های بیشتری برای رمزگذاری مورد نیاز است و نرخ کد حاصل بیشتر می‌شود. سیگنال های خروجی فیلترها شناسایی می شوند، از یک فیلتر پایین گذر عبور می کنند، نمونه برداری می شوند و کدگذاری دودویی می شوند (شکل 8.20).

بنابراین، پارامترهای به آرامی در حال تغییر دستگاه صوتی تعیین می شود و علاوه بر این، با کمک آشکارسازهای لحن اصلی و صداهای مصوت، دوره تن اصلی تحریک و علامت - صدادار / صدای ناگفته است.

صداگذار کانال را می توان به دو شکل دیجیتال و آنالوگ پیاده سازی کرد و گفتار به اندازه کافی قابل فهم با نرخ کد در خروجی حدود 2.4 کیلوبیت بر ثانیه ارائه می دهد.

برنج. 8.20. مدار صوتی اولیه

رمزگشا (شکل 8.21)، با دریافت اطلاعات تولید شده توسط رمزگذار، آن را به ترتیب معکوس پردازش می کند و در خروجی خود یک سیگنال گفتاری را تا حدی شبیه به سیگنال اصلی ترکیب می کند.

با توجه به سادگی مدل، انتظار گفتار بازسازی شده با کیفیت خوب از فشرده سازی Vocoder دشوار است. در واقع، صداگذارهای کانال عمدتاً فقط در مواردی استفاده می شوند که به وضوح و نسبت فشرده سازی بالا نیاز باشد: در ارتباطات نظامی، هوانوردی، ارتباطات فضایی و غیره.

رمزگذار صدا هممورفیک.پردازش سیگنال هممورفیک یکی از تکنیک های پردازش غیر خطی است که می تواند به طور موثر برای سیگنال های پیچیده مانند گفتار اعمال شود.

با در نظر گرفتن مدل سیستم صوتی مورد استفاده در صداگذارها، سیگنال گفتار را می توان به عنوان یک پیچیدگی زمانی پاسخ گذرای ضربه ای دستگاه صوتی با سیگنال تحریک نشان داد. در حوزه فرکانس، این مربوط به محصول پاسخ فرکانسی دستگاه صوتی و طیف سیگنال تحریک است. در نهایت، اگر لگاریتم این محصول را بگیریم، مجموع لگاریتم های طیف سیگنال تحریک و پاسخ فرکانسی مجرای صوتی را به دست می آوریم. از آنجایی که گوش انسان عملاً به فاز سیگنال حساس نیست، می توان با طیف دامنه کار کرد:

log (| S (e jw) |) = log (| P (e jw) |) + log (| V (e jw) |,(8.12)

جایی که S (e jw) - طیف گفتار، P (ejw) طیف سیگنال تحریک و V (ejw) - پاسخ فرکانسی دستگاه صوتی

اگر در حال حاضر بیش از ورود (| S (e jw) |) تبدیل فوریه معکوس ( OPF ، سپس ما به اصطلاح دریافت می کنیم سیگنال سپسترومپارامترهای دستگاه صوتی در زمان نسبتاً آهسته تغییر می کنند (طیف آنها در ناحیه فرکانس پایین - LF است) ، در حالی که سیگنال تحریک یک تابع به سرعت در حال نوسان است (طیف آن در ناحیه فرکانس بالا - HF متمرکز است). بنابراین در مخزن سیگنال گفتاراین اجزا از هم جدا شده اند (شکل 8.22) و می توانند به طور جداگانه کدگذاری شوند.

برنج. 8.22. نمایش سیگنال گفتار در قالب اجزای LF و HF

نمودار یک رمزگذار / رمزگشای گفتار هم شکل در شکل نشان داده شده است. 8.23، با استفاده از آن، می توانید نرخ کدی در حد 4 کیلوبیت در ثانیه دریافت کنید.

صداگذارهای فرمنتهمانطور که قبلا ذکر شد، اطلاعات اولیه در مورد سیگنال گفتار در موقعیت و عرض شکل دهنده های تشکیل دهنده آن موجود است. اگر پارامترهای این فرمت‌ها را با دقت بالا تعیین و رمزگذاری کنید، می‌توانید نرخ کد بسیار پایینی را دریافت کنید - کمتر از 1 کیلوبیت در ثانیه. متأسفانه، انجام این کار بسیار دشوار است، بنابراین رمزگذارهای گفتار فرمانت هنوز کاربرد گسترده ای پیدا نکرده اند.

کدهای صوتی پیش بینی خطی Vocoders بر اساس پیش بینی خطیاز همان مدل تولید گفتار مانند بقیه موارد در نظر گرفته شده استفاده کنید. آنچه آنها را متمایز می کند روش تعیین پارامترهای مسیر است. کدگذارهای پیش بینی خطی یا LPK، مجرای صوتی را یک فیلتر خطی با پاسخ ضربه ای پیوسته در نظر می گیرند که در آن هر مقدار سیگنال متوالی را می توان به صورت ترکیب خطی تعدادی از مقادیر قبلی آن به دست آورد.

برنج. 8.23. مدار رمزگذار / رمزگشای هممورفیک

در Vocoder LPK، سیگنال گفتار به بلوک هایی با طول حدود 20 میلی ثانیه تقسیم می شود که برای هر یک از آنها ضرایب فیلتر پیش بینی تعیین می شود. این ضرایب کوانتیزه می شوند و به رمزگشا منتقل می شوند. سپس سیگنال گفتار از فیلتری عبور می کند که پاسخ فرکانسی آن برعکس پاسخ فرکانسی مجرای صوتی است. خطای پیش بینی در خروجی فیلتر به دست می آید. هدف پیش بینی کننده حذف همبستگی بین نمونه های سیگنال مجاور است. در نتیجه، همبستگی طولانی مدت در سیگنال بسیار واضح تر است، که این امکان را به شما می دهد تا فرکانس لحن اصلی را با دقت بیشتری تعیین کنید و علامت صدای واکه / صامت را برجسته کنید.

کدهای صوتی پیش بینی خطی در حال حاضر محبوب ترین هستند زیرا همه مدل های تراکت صوتی فیلتر که استفاده می کنند بسیار خوب کار می کنند. نرخ کد به دست آمده با کمک آنها با کیفیت گفتار خوب تا 2.4 کیلوبیت بر ثانیه است.

نگاشت کانال های منطقی به کانال های فیزیکی از طریق فرآیندهای کدگذاری و رمزگذاری پیام های ارسالی انجام می شود.

برای محافظت از کانال های منطقی از خطاهایی که در حین انتقال رخ می دهد، از سه نوع کدگذاری استفاده می شود: کدگذاری بلوک - برای تشخیص سریع خطاها در هنگام دریافت. فوق العاده دقیق - برای تصحیح خطاهای منفرد. interleaving - برای تبدیل انفجارهای خطا به یک خطا.

برای محافظت از کانال ها در برابر استراق سمع، از رمزگذاری در کانال های ارتباطی و کنترلی استفاده می شود.

برای انتقال پیام ها از طریق کانال های فیزیکی، کلید شیفت فرکانس گاوسی با حداقل تغییر فرکانس (GMSK) استفاده می شود.

مدولاسیون RF

استاندارد GSM از کلیدگذاری تغییر فرکانس حداقل شیفت گاوسی (GMSK) استفاده می کند. این دستکاری "Gaussian" نامیده می شود زیرا توالی بیت های اطلاعاتی قبل از اینکه مدولاتور از فیلتر پایین گذر گاوسی (LPF) عبور کند، که منجر به کاهش قابل توجهی در پهنای باند سیگنال رادیویی ارسالی می شود. تشکیل سیگنال رادیویی GMSK به گونه ای انجام می شود که فاز حامل 90 درجه در فاصله یک بیت اطلاعات تغییر می کند. این کوچکترین تغییر فاز ممکن است که با این نوع مدولاسیون قابل تشخیص است. تغییر مداوم فاز یک سیگنال سینوسی منجر به مدولاسیون فرکانس با تغییرات فرکانس گسسته می شود. استفاده از فیلتر گاوسی به شما امکان می دهد "انتقالات صاف" را با تغییر گسسته در فرکانس بدست آورید. در استاندارد GSM، مدولاسیون GMSK با مقدار پهنای باند نرمال شده BT - 0.3 استفاده می شود، که در آن B پهنای باند فیلتر در سطح منهای 3 دسی بل است، T مدت زمان یک بیت از یک پیام دیجیتال است. هسته شکل دهنده سیگنال GMSK یک مدولاتور مربعی (1 / Q) است. مدار از دو ضریب و یک جمع کننده تشکیل شده است. هدف این مدار ارائه مدولاسیون فاز مداوم و بسیار دقیق است. یک ضریب دامنه سینوسی را تغییر می دهد و دومی، نوسان کسینوس را تغییر می دهد. سیگنال ورودی قبل از ضریب به دو جزء مربعی تقسیم می شود. تجزیه در دو بلوک به نام های "سین" و "cos" انجام می شود.

مدولاسیون GMSK دارای ویژگی های زیر است که برای ارتباطات سیار ترجیح داده می شود:

پاکت سطح ثابت، که امکان استفاده از دستگاه های انتقال کارآمد با تقویت کننده های قدرت را در حالت کلاس C فراهم می کند.

طیف فشرده در خروجی تقویت کننده توان دستگاه فرستنده، سطح پایین تشعشع خارج از باند را فراهم می کند.

ویژگی های ایمنی خوب کانال ارتباطی در برابر نویز.

کدگذاری و حرکت در کانال های ارتباطی و کنترلی استاندارد GSM

بلوک دیاگرام عمومی کدگذاری و interleaving در استاندارد GSM

کدگذاری کانولوشنال و بلوکی برای محافظت در برابر خطا در کانال های رادیویی موبایل GSM PLMN استفاده می شود. interleaving انبوهی از خطاها را به یک خطا تبدیل می کند. کد نویسی کانولوشن ابزار قدرتمندی برای مقابله با خطاهای منفرد است. کدگذاری بلوک عمدتاً برای تشخیص خطاهای اصلاح نشده استفاده می شود.

کد بلوک (n، k، t) k نمادهای اطلاعاتی را با افزودن نمادهای برابری (n-k) به n نماد تبدیل می کند و همچنین می تواند خطاهای نماد t را تصحیح کند.

کدهای کانولوشنال (CK) متعلق به کلاس کدهای تصحیح خطای پیوسته هستند. یکی از مشخصه های اصلی SC مقدار K است که به آن طول محدودیت می گویند و نشان می دهد که حداکثر تعداد نمادهای خروجی تحت تأثیر یک نماد اطلاعاتی قرار می گیرد. از آنجایی که پیچیدگی رمزگشایی یک CS بر اساس الگوریتم ویتربی، که از نظر پیاده سازی سودمندترین است، با افزایش طول محدودیت کد به صورت تصاعدی افزایش می یابد، مقادیر معمولی K کوچک و دروغ هستند. در محدوده 3-10 یکی دیگر از معایب آی سی ها این است که نمی توانند خطاها را تشخیص دهند. بنابراین، استاندارد GSM برای تشخیص خطای خارجی از یک کد بلوکی مبتنی بر یک کد کانولوشنی (2، 1، 5) با نرخ r = 1/2 استفاده می کند. بزرگترین بهره SC فقط برای خطاهای منفرد (تصادفی) در کانال فراهم می کند.

در کانال های با محو شدن، که در GSM PLMN رخ می دهد، لازم است از CK همراه با interleaving استفاده شود.

در GSM PLMN، ویژگی های اصلی کانال های صدا و کنترل به طور قابل توجهی با یکدیگر متفاوت است. کانال‌های صوتی به ارتباط بلادرنگ با تاخیرهای کوتاه و نیاز به خطای کانال نسبتاً کم نیاز دارند. کانال‌های کنترلی به یکپارچگی مطلق داده و تشخیص خطا نیاز دارند، اما زمان‌های ارسال طولانی‌تر و تأخیر مجاز هستند.

مطابق با ساختار کلی قاب در استاندارد GSM، پیام‌های اطلاعاتی و سیگنال‌های کنترلی در یک بازه زمانی معمولی (NB) یک فریم TDMA ارسال می‌شوند. ساختار NB (دو بسته از 57 بیت اطلاعاتی هر کدام) مستلزم تعداد بیت های کدگذاری شده m مربوط به n بیت بدون کد در طرح کلی کدگذاری و interleaving است که مضرب صحیحی از 19 باشد. سپس این بیت ها رمزگذاری شده و در گروه های I ترکیب می شوند. . تعداد بیت های این گروه ها نیز باید 19 عدد باشد، گروه های I به اسلات I می روند. عدد I را درجه درهم شدن می نامند.

کانال های منطقی مختلف از کدهای کانولوشنی متفاوتی استفاده می کنند زیرا نرخ انتقال و الزامات حفاظت از خطا نیز متفاوت است. برای ساده‌سازی مکانیسم‌های رمزگذاری و رمزگشایی، تنها از چند چند جمله‌ای برای تولید کدها استفاده می‌شود. این اجازه می دهد تا از یک کد کانولوشن با یک نرخ r = 1/2 استفاده کنید. با این حال، به منظور برآورده کردن الزامات تشکیل یک کانال ارتباطی با سرعت کامل، و همچنین برای مطابقت دادن ساختار تخصیص بیت با ساختار قاب، نرخ r = 244/456 = 0.535 مورد نیاز است. برای یکسان سازی نرخ در کانال گفتار به r = 1/2، از decimation استفاده می شود، یعنی پرش دوره ای برخی از نمادهای رمزگذاری شده. به این عملیات پانچ می گویند و کدهای تولید شده به این روش را پانچ می گویند. در هنگام دریافت، رمزگشا با دانستن الگوریتم decimation، داده های دریافتی را درون یابی می کند.

هنگام انتقال کانال کنترل سریع اشتراکی منطقی FACCH از پانچ استفاده نمی شود.

کدگذاری کانولوشن و تلاقی در کانال گفتار با نرخ کامل

کدک گفتار هر 260 بیت از توالی اطلاعات را با سرعت 13 کیلوبیت بر ثانیه به یک طرح کدگذاری کانال ارسال می کند. 182 بیت اول این فریم که در استاندارد GSM بیت های کلاس 1 نامیده می شوند، با یک کد بلوک ضعیف محافظت می شوند تا خطاها در گیرنده شناسایی شوند.

کدگذاری به شرح زیر انجام می شود: بیت های کلاس 1 علاوه بر این به بررسی های برابری تقسیم می شوند. کد بلوک یک 50 بیت سیستماتیک کوتاه شده از کلاس 1a و 132 بیت از کلاس 1b است. بیت های کلاس 1a با سه بیت کد چرخه ای (53، 50) تکمیل می شوند.

مطابق با قانون پذیرفته شده برای تشکیل یک کد سیستماتیک، کلید Sw برای پنج تا ده پالس ساعت اول بسته می شود و بیت های اطلاعاتی که به ورودی رمزگذار می رسند به طور همزمان به واحد مرتب سازی مجدد تغذیه می شوند و تشکیل می شود. بیت های برابری پس از پنجاه پالس ساعت، سوئیچ Sw فعال می شود و بیت های برابری از رمزگذار دریافت می شود. در این مرحله اولین مرحله interleaving انجام می شود. بیت های زوج در قسمت اول کلمه اطلاعات جمع آوری می شوند و به دنبال آن سه بیت برابری قرار می گیرند. سپس بیت های شاخص فرد در حافظه بافر ذخیره شده و مبادله می شوند. به دنبال آن چهار بیت صفر وجود دارد که برای عملکرد رمزگذار ضروری است، کدی تولید می کند که خطاهای تصادفی کانال را تصحیح می کند. سپس 189 بیت از کلاس 1 با یک کد کانولوشنی (2،1،5) با نرخ r = 1/2 کدگذاری می شوند.

پس از کدگذاری کانولوشن، طول کل فریم 2x189 + 78 = 456 بیت است. پس از آن، فریم 456 بیتی به هشت بلوک فرعی 57 بیتی تقسیم می شود که به صورت مورب و درون فریم به هم متصل می شوند. به طور خاص، بلوک‌های فرعی B0 و B4 به بسته‌های 114 بیتی تبدیل می‌شوند که در نتیجه درهم‌پاشی بلوک-مورب (DI / B) هستند. بیت‌های B0 و B4 بلوک‌های فرعی به صورت جفتی به هم متصل می‌شوند تا فرآیند درون‌قاب بیت (IBI/B) را تشکیل دهند. بسته به دست آمده شامل دو پرچم اصلی h1، h0 است که برای طبقه بندی بسته های انتقال مختلف استفاده می شود.

رمزگذاری کانال با نرخ کامل و interleaving

انتقال داده ها

برای بهبود کارایی کدگذاری کانولوشنال در کانال‌های انتقال داده با نرخ کامل، یک دوره میان‌پیچ طولانی مورد نیاز است. در این کانال ها، interleaving درون فریم (IBI / B) برای درجه interleaving I = 19 اجرا می شود که منجر به تاخیر انتقال داده 19x116 = 2204 بیت می شود. اگر بیت های بسته I ام (فاصله زمانی) قبل از interleaving با C (Km) نشان داده شوند، m = 1 ... 116، پس طرح interleaving، یعنی موقعیت های بیت پس از interleaving، با موارد زیر تعیین می شود. فرمول:

I (K + j، j + 19t) = C (K، m) برای همه K j = m mod 19، t = m mod 6.

). کدگذاری فیزیکی می تواند شکل، پهنای باند و ترکیب هارمونیک سیگنال را به منظور همگام سازی گیرنده و فرستنده، حذف جزء DC یا کاهش هزینه های سخت افزاری تغییر دهد.

یوتیوب دانشگاهی

• 1 / 5

  سیستم کدگذاری سیگنال دارای یک سلسله مراتب چند سطحی است.

  رمزگذاری فیزیکی

  پایین ترین سطح در سلسله مراتب کدگذاری، کدگذاری فیزیکی است که تعداد سطوح سیگنال گسسته (دامنه ولتاژ، دامنه جریان، دامنه روشنایی) را تعیین می کند.

  کدگذاری فیزیکی کدگذاری را فقط در پایین ترین سطح سلسله مراتب کدگذاری - سطح فیزیکی در نظر می گیرد و سطوح بالاتر در سلسله مراتب کدگذاری را که شامل کدگذاری منطقی سطوح مختلف می شود، در نظر نمی گیرد.

  از نقطه نظر کدگذاری فیزیکی، یک سیگنال دیجیتال می تواند دارای دو، سه، چهار، پنج و ... سطوح دامنه ولتاژ، دامنه جریان، دامنه نور باشد.

  هیچ یک از نسخه های فناوری اترنت از کدگذاری مستقیم باینری بیت 0 با ولتاژ 0 ولت و بیت 1 با ولتاژ 5+ ولت استفاده نمی کند، زیرا این روش منجر به ابهام می شود. اگر یک ایستگاه رشته بیت 00010000 را ارسال کند، ایستگاه دیگر می تواند آن را به صورت 10000 یا 01000 تفسیر کند، زیرا نمی تواند "بدون سیگنال" را از بیت 0 تشخیص دهد. بنابراین، ماشین گیرنده به روشی نیاز دارد تا به طور منحصر به فرد شروع، پایان و تعیین کند. وسط هر بیت بدون کمک تایمر خارجی. کدگذاری فیزیکی سیگنال به گیرنده اجازه می دهد تا با فرستنده با تغییر ولتاژ در میانه دوره بیت هماهنگ شود.

  کد نویسی منطقی

  دومین سطح در سلسله مراتب کدنویسی، پایین ترین سطح کدگذاری منطقی با اهداف مختلف است.

  کدگذاری فیزیکی و کدگذاری منطقی با هم پایین ترین سطح سیستم کدگذاری را تشکیل می دهند.

  فرمت های کد

  هر بیت از یک کلمه رمز با استفاده از سیگنال های گسسته مانند پالس ها ارسال یا نوشته می شود. نحوه نمایش کد منبع توسط سیگنال های خاص توسط قالب کد تعیین می شود. تعداد زیادی فرمت شناخته شده است که هر کدام مزایا و معایب خاص خود را دارند و برای استفاده در تجهیزات خاصی در نظر گرفته شده اند.

  • فرمت BVN (بدون بازگشت به صفر)طبیعتاً با نحوه عملکرد مدارهای منطقی مطابقت دارد. یک بیت در یک چرخه منتقل می شود، سطح تغییر نمی کند. لبه مثبت به معنای انتقال از 0 به 1 در کد منبع، لبه منفی - از 1 به 0 است. عدم وجود یال نشان می دهد که مقادیر بیت های قبلی و بعدی برابر هستند. برای رمزگشایی کدها در قالب BVN، پالس های ساعت مورد نیاز است، زیرا طیف آن حاوی فرکانس ساعت نیست. سیگنال مربوط به کد فرمت BVN شامل اجزای فرکانس پایین است (هنگام ارسال سری های طولانی صفر یا یک، هیچ افتی رخ نمی دهد).
  • فرمت BVN-1 (بدون بازگشت به صفر با کاهش انتقال 1)نوعی فرمت BVN است. برخلاف دومی، سطح BVN-1 داده ها را منتقل نمی کند، زیرا هر دو افت مثبت و منفی مربوط به بیت های واحد هستند. افت سیگنال در طول انتقال 1 تشکیل می شود. با انتقال 0، سطح تغییر نمی کند. ساعت برای رمزگشایی مورد نیاز است.
  • فرمت BVN -0 (بدون بازگشت به صفر با افت در هنگام ارسال 0)مکمل BVN-1 است (شیب ها با بیت های صفر کد منبع مطابقت دارند). در سیستم های چند مسیری برای ضبط سیگنال های دیجیتال، پالس های ساعت باید همراه با کد در فرمت BVN ثبت شوند. یک گزینه ممکن، ضبط دو سیگنال اضافی مربوط به کدها در قالب‌های BVN-1 و BVN-0 است. در یکی از دو سیگنال، افت در هر چرخه ساعت رخ می دهد، که امکان به دست آوردن پالس های ساعت را فراهم می کند.
  • فرمت VN (بازگشت به صفر)نیاز به انتقال پالسی دارد که تنها بخشی از بازه ساعت (مثلاً نصف) را با یک بیت واحد اشغال می کند. با یک بیت صفر، هیچ پالسی تولید نمی شود.
  • فرمت VN-P (با مکث فعال)به معنای انتقال یک پالس قطبی مثبت با یک بیت واحد و منفی - با یک بیت صفر است. سیگنالی با این فرمت دارای اجزای فرکانس ساعت در طیف خود است. در تعدادی از موارد برای انتقال داده از طریق خطوط ارتباطی استفاده می شود.
  • فرمت DF-0 (دو فاز با پرش فاز هنگام ارسال 0)مربوط به روش ارائه است که در آن پرش ها در ابتدای هر اندازه گیری شکل می گیرند. با تک بیت ها، سیگنال در این فرمت با فرکانس ساعت تغییر می کند، یعنی در وسط هر سیکل، یک افت سطح وجود دارد. وقتی یک بیت صفر منتقل می شود، اختلاف در وسط چرخه ایجاد نمی شود، یعنی یک پرش فاز وجود دارد. کد در این فرمت قابلیت خود همگام سازی را دارد و نیازی به ارسال سیگنال ساعت ندارد.

  جهت دیفرانسیل هنگام ارسال سیگنال 1 بی ربط است. بنابراین، تغییر قطبیت سیگنال کدگذاری شده بر نتیجه رمزگشایی تأثیر نمی گذارد. می توان آن را از طریق خطوط متعادل بدون مولفه DC منتقل کرد. همچنین ضبط مغناطیسی را آسان تر می کند. این قالب با نام منچستر 1 نیز شناخته می شود. این در کد آدرس زمانی SMPTE استفاده می شود که به طور گسترده برای همگام سازی رسانه های صوتی و تصویری استفاده می شود.

  سیستم های کدگذاری دو سطحی

  بدون بازگشت به صفر

  رمزگذاری بالقوه، همچنین به نام رمزگذاری بدون بازگشت به صفر (NRZ (انگلیسی)روسی).

  هنگام انتقال صفر، پتانسیلی را که در چرخه قبلی تنظیم شده بود، منتقل می کند (یعنی آن را تغییر نمی دهد) و در هنگام انتقال یک، پتانسیل به عکس معکوس می شود. این کد، کد وارونگی یک بالقوه (NRZI) نامیده می شود.

  NRZ

  دو پتانسیل قابل تشخیص پایدار برای انتقال یک و صفر استفاده می شود:

  • بیت 0 با ولتاژ صفر 0 (V) نشان داده می شود.
  • بیت 1 با مقدار U (B) نشان داده می شود.

  NRZ (معکوس):

  • بیت های 0 با مقدار U (B) نشان داده می شوند.
  • بیت 1 با ولتاژ 0 (V) صفر نشان داده می شود.

  ساده ترین کد، یک سیگنال دیجیتال معمولی (گسسته) است (می توان آن را به قطبیت معکوس یا سطوح مربوط به صفر و یک تغییر داد).

  مزایا - اجرای ساده. بدون نیاز به رمزگذاری و رمزگشایی در انتها. سرعت انتقال بالا برای یک پهنای باند معین (برای ارائه پهنای باند 10 مگابیت در ثانیه، پهنای باند 5 مگاهرتز خواهد بود، زیرا یک تکان 2 بیت است). یک بیت start-stop برای همگام سازی انتقال بایت استفاده می شود.

  معایب - وجود یک جزء ثابت که امکان ایجاد عایق گالوانیکی با استفاده از ترانسفورماتور را غیرممکن می کند. الزامات بالا برای همگام سازی فرکانس در انتهای گیرنده و فرستنده - در طول انتقال یک کلمه (بایت)، گیرنده نباید بیش از یک بیت از دست بدهد (به عنوان مثال، برای یک کلمه بایت طولانی با بیت های شروع و توقف، یعنی فقط 10 بیت اطلاعات کانال، فرکانس های همگام سازی گیرنده و فرستنده نمی تواند از 10 درصد در هر دو جهت تجاوز کند، برای یک کلمه 16 بیتی، یعنی 18 بیت اطلاعات کانال، همگام سازی نباید از 5.5 درصد تجاوز کند و حتی کمتر در پیاده سازی فیزیکی).

  NRZI

  هنگام ارسال دنباله ای از یک ها، سیگنال برخلاف سایر روش های کدگذاری، در طول یک چرخه ساعت به صفر باز نمی گردد. یعنی تغییر سیگنال زمانی اتفاق می افتد که واحد منتقل می شود و انتقال صفر منجر به تغییر ولتاژ نمی شود.

  مزایای روش NRZI:

  • سهولت اجرا.
  • این روش دارای تشخیص خطای خوبی است (به دلیل وجود دو پتانسیل کاملاً متفاوت).
  • فرکانس اصلی f0 به اندازه کافی کم است (برابر N / 2 هرتز، که در آن N نرخ بیت بیت / ثانیه گسسته داده است)، که منجر به یک طیف باریک می شود.

  معایب روش NRZI:

  • این روش خاصیت خود همگام سازی را ندارد. حتی در حضور یک مولد ساعت با دقت بالا، گیرنده می تواند با انتخاب لحظه اکتساب داده اشتباه کند، زیرا فرکانس های دو نوسان ساز هرگز کاملاً یکسان نیستند. بنابراین، در نرخ های داده بالا و توالی های طولانی یک یا صفر، یک عدم تطابق فرکانس ساعت کوچک می تواند منجر به خطا در یک چرخه کامل و بر این اساس، خواندن یک مقدار بیت نادرست شود.
  • دومین اشکال جدی روش، وجود یک جزء فرکانس پایین است که هنگام انتقال دنباله های طولانی یک و صفر به سیگنال ثابت نزدیک می شود (شما می توانید با فشرده سازی داده های ارسال شده دور شوید). به همین دلیل، بسیاری از خطوط ارتباطی که اتصال گالوانیکی مستقیم بین گیرنده و منبع ایجاد نمی کنند، از این نوع کدگذاری پشتیبانی نمی کنند. بنابراین، در شبکه‌ها، کد NRZ عمدتاً در قالب اصلاحات مختلف آن مورد استفاده قرار می‌گیرد که در آن هم خود همگام‌سازی ضعیف کد و هم مشکلات مولفه ثابت برطرف می‌شود.

  انتقال چند سطحی MLT-3 - 3 (انتقال چند سطحی) - کمی شبیه به کد NRZI است، اما بر خلاف دومی، سه سطح سیگنال دارد. واحد مربوط به انتقال از یک سطح سیگنال به سطح دیگر است و تغییر در سطح سیگنال به ترتیب با در نظر گرفتن انتقال قبلی رخ می دهد. هنگام انتقال "صفر"، سیگنال تغییر نمی کند.

  این کد مانند NRZI باید از قبل کدگذاری شود. مورد استفاده در Fast Ethernet 100Base-TX.

  کد سه تایی ترکیبی (انگلیسی)روسی

  بیت ورودی	حالت قبلی در خروجی	بیت خروجی
  0	+	−
  	0
  	−	0
  1	+
  	0	+
  	−

  4B3T[حذف الگو]

  جدول کدگذاری:

  جدول کد MMS 43

  ورودی	آفست DC انباشته شده
  	1	2	3	4
  0000	+ 0 + (+2)	0−0 (−1)
  0001	0 − + (+0)
  0010	+ − 0 (+0)
  0011	0 0 + (+1)			− − 0 (−2)
  0100	− + 0 (+0)
  0101	0 + + (+2)	− 0 0 (−1)
  0110	− + + (+1)		− − + (−1)
  0111	− 0 + (+0)
  1000	+ 0 0 (+1)			0 − − (−2)
  1001	+ − + (+1)			− − − (−3)
  1010	+ + − (+1)		+ − − (−1)
  1011	+ 0 − (+0)
  1100	+ + + (+3)	− + − (−1)
  1101	0 + 0 (+1)			− 0 − (−2)
  1110	0 + − (+0)
  1111	+ + 0 (+2)	0 0 − (−1)

  جدول رمزگشایی

  تبدیل سیگنال

  خطاهای کوانتیزاسیون و نویز.

  کوانتیزاسیون سطح، کوانتیزاسیون یکنواخت و غیر یکنواخت.

  تبدیل سیگنال

  کانالمجموعه ای از ابزارهای فنی بین منبع پیام و مصرف کننده وجود دارد. دستگاه های فنی که کانال را تشکیل می دهند طوری طراحی شده اند که اطمینان حاصل شود که پیام ها به بهترین شکل ممکن به دست مصرف کننده می رسند - برای این کار سیگنال ها تبدیل می شوند. چنین تبدیل‌های مفید سیگنال مدولاسیونی است که قبلاً مورد بحث قرار گرفت و تبدیل سیگنال‌های پیوسته به سیگنال‌های گسسته. بر این اساس، کانال ها بر اساس حالت ها طبقه بندی می شوند - مداومو گسسته.

  سیگنال هایی که اطلاعاتی در مورد وضعیت یک شی یا فرآیند حمل می کنند، طبیعتاً پیوسته هستند، همانطور که خود فرآیندها پیوسته هستند. بنابراین، چنین سیگنال هایی آنالوگ نامیده می شوند، زیرا آن‌ها مشابه حالت‌های فرآیند یا شی هستند که نشان می‌دهند. تعداد مقادیری که سیگنال آنالوگ می تواند بپذیرد بی نهایت است. بر این اساس کانال هایی که این سیگنال ها از طریق آنها ارسال می شود نیز آنالوگ هستند.

  در مبادلات تلفنی خودکار، کار معمولاً به تمایز بین تعداد محدودی از حالت‌های جسم کاهش می‌یابد، به عنوان مثال، آیا یک مدار ریلی مشغول است یا آزاد. برای انتقال این تعداد حالت، کافی است سیگنال دریافتی را با برخی از سیگنال های مرجع مقایسه کنید. اگر بیشتر از یک مرجع باشد، شی در یک حالت است، در حالت دیگر کمتر. هر چه تعداد حالت های شی بیشتر باشد، سطوح مرجع بیشتری باید باشد.

  از طرف دیگر، کافی است مصرف کننده اطلاعات وضعیت شی را نه به طور مداوم در زمان، بلکه به صورت دوره ای دریافت کند، و اگر دوره نظرسنجی با نرخ تغییر وضعیت شی مرتبط باشد، مصرف کننده هیچ گونه از دست دادن اطلاعات نخواهد داشت.

  در نتیجه تبدیل یک سیگنال پیوسته، نامیده می شود کوانتیزاسیون و نمونه برداری گرفتن تعداد سیگنال ها، به عنوان اعداد در یک یا سیستم اعداد دیگر در نظر گرفته می شوند. این نمونه ها سیگنال های گسسته هستند. این اعداد به ترکیب کد سیگنال های الکتریکی تبدیل می شوند که به صورت پیوسته از طریق خط ارتباطی منتقل می شوند. هنگامی که به عنوان یک حامل حالت ثابت استفاده می شود، دنباله ای از پالس های ویدئویی به دست می آید. در صورت لزوم، این دنباله یک نوسان هارمونیک را تعدیل می کند و دنباله ای از پالس های رادیویی را به دست می آورد.

  کدگذاری به عنوان تبدیل سیگنال های گسسته به یک دنباله یا ترکیبی از برخی نمادها درک می شود. نماد کد سیگنال ابتدایی است , با یک کاراکتر دیگر با نقطه کد متفاوت است . تعداد مقادیر ویژگی های کد را پایه کد می نامند - متر... تعداد کاراکترها در ترکیب کد پطول کد را تعیین می کند. اگر طول کد برای همه ترکیب ها ثابت باشد، کد یکنواخت نامیده می شود. باینری یکنواخت ( متر= 2) کدها. حداکثر تعداد ترکیب کد برای کدگذاری یکنواخت: ن= m n.

  
  
  

  نمایش سیگنال های پیوسته توسط نمونه ها، و نمونه ها - توسط مجموعه ای از نمادها نامیده می شود مدولاسیون دیجیتال... از این میان، رایج ترین آنها هستند مدولاسیون کد پالس(PCM) و مدولاسیون دلتا(DM).

  PCM را در نظر بگیرید. فرض کنید باید یک سیگنال پیوسته با دامنه تغییر از صفر تا 15 ولت ارسال کنیم. ما معتقدیم که انتقال 16 سطح برای ما کافی است. ن= 16. از این رو، اگر متر= 2، پس n= 4. ما کد: 0 V - 0000، 1 V - 0001، 2 V - 0010، 3 V - 0011، و غیره. این اعداد به صورت پالس و مکث وارد خط ارتباطی می شوند، سپس در گیرنده رمزگشایی می شوند و در صورت لزوم دوباره به سیگنال پیوسته تبدیل می شوند. تبدیل سیگنال پیوسته به سیگنال گسسته در دستگاه هایی به نام انجام می شود مبدل های آنالوگ به دیجیتال(ADC)، تبدیل های معکوس - در دستگاه ها تبدیل دیجیتال به آنالوگ(DAC).

  هنگام کدگذاری دیجیتال اطلاعات گسسته، از کدهای پتانسیل و پالس استفاده می شود.

  در کدهای پتانسیل برای نمایش یک ها و صفرهای منطقی فقط از مقدار پتانسیل سیگنال استفاده می شود و افت آن که پالس های کامل را تشکیل می دهد در نظر گرفته نمی شود. کدهای پالس به داده های باینری اجازه می دهند یا به صورت پالس هایی با یک قطبیت خاص یا به عنوان بخشی از یک پالس - یک افت بالقوه در یک جهت خاص نمایش داده شوند.

  الزامات روش های کدگذاری دیجیتال

  هنگام استفاده از پالس های مستطیلی برای انتقال اطلاعات گسسته، لازم است یک روش کدگذاری انتخاب شود که به طور همزمان به چندین هدف دست یابد:

  کمترین عرض طیف سیگنال حاصل را با همان نرخ بیت داشت.

  همگام سازی بین فرستنده و گیرنده را فراهم می کند.

  دارای توانایی تشخیص خطاها؛

  دارای هزینه اجرای پایین

  طیف باریک‌تری از سیگنال‌ها امکان نرخ‌های داده بالاتر را در همان خط (با پهنای باند یکسان) فراهم می‌کند. علاوه بر این، طیف سیگنال اغلب لازم است که هیچ جزء DC نداشته باشد، یعنی وجود جریان DC بین فرستنده و گیرنده. به ویژه استفاده از مدارهای عایق گالوانیکی مختلف ترانسفورماتور از عبور جریان مستقیم جلوگیری می کند.

  همگام سازی فرستنده و گیرنده مورد نیاز است تا گیرنده دقیقا بداند در چه مقطعی از زمان لازم است اطلاعات جدید را از خط ارتباطی بخواند. حل این مشکل در شبکه‌ها دشوارتر از مبادله داده‌ها بین دستگاه‌هایی با فاصله نزدیک است، مثلاً بین واحدهای داخل رایانه یا بین رایانه و چاپگر. در فواصل کوتاه، یک مدار مبتنی بر یک خط ارتباطی زمان بندی جداگانه به خوبی کار می کند (شکل)، به طوری که اطلاعات تنها در لحظه رسیدن پالس ساعت از خط داده حذف می شود. در شبکه ها، استفاده از این طرح به دلیل ناهمگونی ویژگی های هادی ها در کابل ها، مشکلاتی را ایجاد می کند. در فواصل طولانی، سرعت انتشار نامناسب می‌تواند باعث شود ساعت بسیار دیرتر یا زودتر از سیگنال داده مربوطه برسد که یک بیت داده نادیده گرفته شود یا دوباره خوانده شود. دلیل دیگری که باعث می شود شبکه ها استفاده از پالس های ساعت را کنار بگذارند، صرفه جویی در هادی ها در کابل های گران قیمت است.

  بنابراین، در شبکه‌ها از کدهای به اصطلاح خود همگام‌سازی استفاده می‌شود که سیگنال‌های آن‌ها با نشان دادن اینکه در چه مقطعی از زمان لازم است بیت بعدی (یا چند بیت، اگر کد باشد) به فرستنده منتقل می‌شود. جهت گیری بیش از دو حالت سیگنال). هر افت ناگهانی سیگنال - به نام جلو - می تواند نشانه خوبی برای همگام سازی گیرنده با فرستنده باشد.

  هنگام استفاده از سینوسی ها به عنوان سیگنال حامل، کد به دست آمده دارای خاصیت خود همگام سازی است، زیرا تغییر در دامنه فرکانس حامل به گیرنده اجازه می دهد تا لحظه ظاهر شدن کد ورودی را تعیین کند.

  شناسایی و تصحیح داده های تحریف شده توسط لایه فیزیکی به سختی اجرا می شود، بنابراین، اغلب این کار توسط پروتکل هایی انجام می شود که در بالا قرار دارند: کانال، شبکه، حمل و نقل یا برنامه. از سوی دیگر، تشخیص خطا در لایه فیزیکی باعث صرفه جویی در زمان می شود، زیرا گیرنده منتظر نمی ماند تا فریم کامل در بافر قرار گیرد، اما بلافاصله پس از تشخیص بیت های اشتباه در فریم، آن را رد می کند.

  الزامات روش های کدگذاری متقابل متضاد هستند، بنابراین، هر یک از روش های رمزگذاری دیجیتال محبوب که در زیر در نظر گرفته شده است، مزایا و معایب خاص خود را در مقایسه با روش های دیگر دارد.

  کد بالقوه بدون بازگشت به صفر

  در شکل 2.16، a روش رمزگذاری بالقوه ذکر شده قبلی را نشان می دهد که رمزگذاری بدون بازگشت به صفر نیز نامیده می شود (NonReturntoZero، NRZ). نام خانوادگی نشان دهنده این واقعیت است که وقتی دنباله ای از یک ها مخابره می شود، سیگنال در طول یک چرخه ساعت به صفر برنمی گردد (همانطور که در زیر خواهیم دید، در سایر روش های کدگذاری، بازگشت به صفر در این مورد اتفاق می افتد). روش NRZ برای پیاده سازی ساده است، دارای تشخیص خطای خوبی است (به دلیل دو پتانسیل کاملاً متفاوت)، اما خاصیت خود همگام سازی را ندارد. هنگامی که یک دنباله طولانی از یک یا صفر مخابره می شود، سیگنال روی خط تغییر نمی کند، بنابراین گیرنده نمی تواند زمان هایی را که لازم است دوباره داده ها را بخواند، از سیگنال ورودی تعیین کند. حتی با یک ژنراتور ساعت با دقت بالا، گیرنده می تواند هنگام جمع آوری داده ها اشتباه کند، زیرا فرکانس های دو نوسان ساز هرگز کاملاً یکسان نیستند. بنابراین، در نرخ های داده بالا و توالی های طولانی یک یا صفر، یک عدم تطابق فرکانس ساعت کوچک می تواند منجر به خطا در یک چرخه کامل و بر این اساس، خواندن یک مقدار بیت نادرست شود.

  

  یکی دیگر از اشکالات جدی روش NRZ وجود یک جزء با فرکانس پایین است که هنگام انتقال دنباله های طولانی یک یا صفر به صفر نزدیک می شود. به همین دلیل، بسیاری از کانال های ارتباطی که یک اتصال گالوانیکی مستقیم بین گیرنده و منبع ایجاد نمی کنند، از این نوع کدگذاری پشتیبانی نمی کنند. در نتیجه کد NRZ به شکل خالص خود در شبکه ها استفاده نمی شود. با این وجود، اصلاحات مختلف آن مورد استفاده قرار می گیرد، که در آن هم خود همگام سازی ضعیف کد NRZ و هم وجود یک جزء ثابت حذف می شود. جذابیت کد NRZ که به دلیل بهبود آن منطقی است، در فرکانس نسبتاً پایین هارمونیک اساسی fo است که برابر با N / 2 هرتز است، همانطور که در بخش قبل نشان داده شده است. سایر روش های کدگذاری مانند منچستر دارای فرکانس بنیادی بالاتری هستند.

  روش کدگذاری وارونگی جایگزین دوقطبی

  یکی از اصلاحات روش NRZ، روش کدگذاری دوقطبی با وارونگی جایگزین (BipolarAlternateMarkInversion، AMI) است. این روش (شکل 2.16، ب) از سه سطح پتانسیل - منفی، صفر و مثبت استفاده می کند. برای رمزگذاری یک صفر منطقی، از یک پتانسیل صفر استفاده می شود، و یک پتانسیل منطقی با یک پتانسیل مثبت یا منفی رمزگذاری می شود، در حالی که پتانسیل هر واحد جدید مخالف پتانسیل قبلی است.

  کد AMI تا حدی مشکلات DC و غیر خود زمان‌بندی ذاتی کد NRZ را حذف می‌کند. این در هنگام انتقال دنباله های طولانی از یک اتفاق می افتد. در این موارد، سیگنال روی خط، دنباله ای از پالس های دوقطبی با همان طیف کد NRZ است که صفر و یک های متناوب را ارسال می کند، یعنی بدون مولفه DC و با هارمونیک اساسی N / 2 هرتز (که در آن N نرخ بیت انتقال داده است). توالی های طولانی صفر برای کد AMI و همچنین برای کد NRZ خطرناک هستند - سیگنال به یک پتانسیل ثابت با دامنه صفر تبدیل می شود. بنابراین، کد AMI نیاز به بهبود بیشتری دارد، اگرچه کار ساده شده است - تنها چیزی که باقی می ماند پرداختن به دنباله های صفر است.

  به طور کلی، برای ترکیب بیت های مختلف روی خط، استفاده از کد AMI منجر به طیف سیگنال باریک تری نسبت به کد NRZ و در نتیجه توان عملیاتی خط بالاتر می شود. به عنوان مثال، هنگامی که یک ها و صفرهای متناوب منتقل می شوند، fo اساسی دارای فرکانس N / 4 هرتز است. کد AMI نیز برخی از امکانات را برای تشخیص سیگنال های اشتباه فراهم می کند. بنابراین، نقض تناوب شدید قطبیت سیگنال ها نشان دهنده یک پالس کاذب یا ناپدید شدن پالس صحیح از خط است. سیگنالی با قطبیت نادرست، نقض سیگنال نامیده می شود.

  کد AMI نه از دو، بلکه از سه سطح سیگنال در خط استفاده می کند. لایه اضافی نیاز به افزایش قدرت فرستنده در حدود 3 دسی بل دارد تا از اطمینان یکسانی دریافت بیت در خط اطمینان حاصل شود، که در مقایسه با کدهایی که تنها دو حالت را از هم متمایز می کنند، یک نقطه ضعف رایج کدهای دارای حالت سیگنال چندگانه است.

  کد بالقوه با وارونگی در یک

  یک کد مشابه AMI وجود دارد، اما تنها با دو سطح سیگنال. هنگام انتقال صفر، پتانسیلی را که در چرخه قبلی تنظیم شده بود، منتقل می کند (یعنی آن را تغییر نمی دهد) و در هنگام انتقال یک، پتانسیل به عکس معکوس می شود. این کد را کد بالقوه با وارونگی در یک می نامند.

  (NonReturntoZerowithonesInverted، NRZI). این کد در مواردی که استفاده از سطح سیگنال سوم بسیار نامطلوب است، مناسب است، به عنوان مثال، در کابل های نوری، که در آن دو حالت سیگنال - روشن و تاریک - به طور پیوسته تشخیص داده می شود. دو روش برای بهبود کدهای بالقوه مانند AMI و NRZI استفاده می شود. روش اول مبتنی بر افزودن بیت های اضافی حاوی واحدهای منطقی به کد منبع است. بدیهی است که در این حالت، توالی های طولانی صفر قطع می شوند و کد برای هر داده ارسالی خود همگام می شود. جزء ثابت نیز ناپدید می شود، به این معنی که طیف سیگنال حتی بیشتر باریک می شود. اما این روش پهنای باند مفید خط را کاهش می دهد، زیرا واحدهای اضافی از اطلاعات کاربر حمل نمی شوند. روش دیگر مبتنی بر "اختلاط" اولیه اطلاعات اولیه است به طوری که احتمال ظهور یک ها و صفرها در خط نزدیک می شود. دستگاه‌ها یا بلوک‌هایی که چنین عملیاتی را انجام می‌دهند، Scramblers (Scramble) نامیده می‌شوند. هنگام تقلب، از یک الگوریتم شناخته شده استفاده می شود، بنابراین گیرنده، با دریافت داده های باینری، آن را به descrambler ارسال می کند، که توالی بیت اصلی را بازیابی می کند. بیت های بیش از حد از طریق خط منتقل نمی شوند. هر دو روش به کدگذاری منطقی و نه فیزیکی مربوط می شوند، زیرا شکل سیگنال های روی خط را تعیین نمی کنند. آنها با جزئیات بیشتر در بخش بعدی بررسی می شوند.

  کد پالس دوقطبی

  علاوه بر کدهای بالقوه، زمانی که داده ها با یک پالس کامل یا بخشی از آن - با یک جلو نمایش داده می شوند، از کدهای پالس نیز در شبکه ها استفاده می شود. ساده ترین حالت این رویکرد، یک کد پالس دوقطبی است، که در آن یک با پالسی با یک قطب، و صفر با دیگری نشان داده می شود (شکل 2.16، ج). هر ضربه نیم ضرب طول می کشد. چنین کدی دارای ویژگی های خود همگام سازی عالی است، اما یک جزء ثابت می تواند وجود داشته باشد، به عنوان مثال، هنگام انتقال یک دنباله طولانی از یک یا صفر. علاوه بر این، طیف آن گسترده تر از کدهای بالقوه است. بنابراین، هنگام انتقال همه صفر یا یک، فرکانس هارمونیک اساسی کد برابر N هرتز خواهد بود که دو برابر بیشتر از هارمونیک اساسی کد NRZ و چهار برابر بیشتر از هارمونیک اساسی کد AMI است. هنگام انتقال یکها و صفرهای متناوب. به دلیل طیف بسیار گسترده، کد پالس دوقطبی به ندرت استفاده می شود.

  کد منچستر

  در شبکه های محلی، تا همین اواخر، رایج ترین روش کدگذاری به اصطلاح کد منچستر بود (شکل 2.16، د). در فناوری های اترنت و TokenRing استفاده می شود.

  کد منچستر از افت پتانسیل، یعنی جلوی پالس برای رمزگذاری یک ها و صفرها استفاده می کند. در رمزگذاری منچستر، هر نوار به دو قسمت تقسیم می شود. اطلاعات با افت احتمالی که در وسط هر چرخه ساعت رخ می دهد، رمزگذاری می شود. یک با شیب از سطح سیگنال پایین به بالا کدگذاری می شود و صفر با شیب معکوس کدگذاری می شود. در ابتدای هر چرخه، اگر قرار باشد چندین یک یا صفر در یک ردیف نمایش داده شود، یک افت سیگنال سربار ممکن است رخ دهد. از آنجایی که سیگنال حداقل یک بار در هر چرخه انتقال یک بیت داده تغییر می کند، بنابراین. کد منچستر دارای ویژگی های خود زمان بندی خوبی است. پهنای باند کد منچستر از پالس دوقطبی باریک تر است. همچنین مولفه ثابتی ندارد و هارمونیک بنیادی در بدترین حالت (هنگام ارسال دنباله ای از یک ها یا صفرها) دارای فرکانس N هرتز است و در بهترین حالت (هنگام ارسال یک ها و صفرهای متناوب) برابر با N است. / 2 هرتز، مانند کدهای AMI یا NRZ. به طور متوسط، پهنای باند کد منچستر یک و نیم برابر باریکتر از کد پالس دوقطبی است و پایه در حدود 3N / 4 در نوسان است. کد منچستر مزیت دیگری نسبت به کد پالس دوقطبی دارد. در دومی، سه سطح سیگنال برای انتقال داده و در منچستر از دو سطح استفاده می شود.

  کد بالقوه 2B1 س

  در شکل 2.16، e یک کد بالقوه با چهار سطح سیگنال برای کدگذاری داده ها را نشان می دهد. این یک کد 2B1Q است که نام آن نشان دهنده ماهیت آن است - هر دو بیت (2B) در یک چرخه ساعت توسط سیگنالی که دارای چهار حالت (1Q) است منتقل می شود. یک جفت بیت 00 مربوط به پتانسیل 2.5- ولت، یک جفت بیت 01 با پتانسیل 0.833- ولت، یک جفت بیت 11 مربوط به پتانسیل 0.833 ولت + و یک جفت 10 مربوط به پتانسیل + است. 2.5 V. این روش کدگذاری به اقدامات اضافی برای مبارزه با توالی های طولانی از جفت بیت های مشابه نیاز دارد، زیرا در این مورد سیگنال به یک جزء ثابت تبدیل می شود. با تلاقی تصادفی بیت ها، طیف سیگنال دو برابر باریکتر از کد NRZ است، زیرا در همان نرخ بیت، زمان چرخه دو برابر می شود. بنابراین، با استفاده از کد 2B1Q، انتقال داده ها در یک خط دو برابر سریعتر از استفاده از کد AMI یا NRZI امکان پذیر است. با این حال، برای اجرای آن، قدرت فرستنده باید بالاتر باشد تا چهار سطح به وضوح توسط گیرنده در پس زمینه تداخل متمایز شوند.