Pri korištenju računala za obradu informacija s raznih uređaja (objekata, procesa), u kojima se informacija predstavlja kontinuiranim (analognim) signalima, potrebno je analogni signal pretvoriti u digitalni - u broj proporcionalan amplitudi ovog signala, i obrnuto. Općenito, postupak analogno-digitalne konverzije sastoji se od tri faze:

diskretizacija;

kvantizacija po razini;

kodiranje.

Pod, ispod diskretizacija razumjeti transformaciju funkcije kontinuiranog vremena u funkciju diskretnog vremena, a sam proces diskretizacije sastoji se u zamjeni kontinuirane funkcije njezinim pojedinačnim vrijednostima u fiksnim vremenskim točkama.

Diskretizacija može biti ujednačena i neujednačena. Kod neravnomjernog uzorkovanja, trajanje intervala između uzoraka je različito. Najčešće se koristi jednolično uzorkovanje, u kojem je trajanje intervala između uzoraka T D, je konstantna. Razdoblje uzorkovanja T D kontinuirani signal u(t)(Slika 1 a) odabire se u skladu s Kotelnikovim teoremom:

gdje F u- najviša frekvencija u frekvencijskom spektru signala u(t)(slika 1 b)

Riža. 1.A/D proces pretvorbe

Pod, ispod kvantizacija razumjeti transformaciju neke veličine s kontinuiranom ljestvicom vrijednosti u veličinu s diskretnom ljestvicom vrijednosti.

Za to, cijeli raspon vrijednosti signala u(t), tzv. skala je podijeljena na jednake dijelove - kvante, h- korak kvantizacije. Proces kvantizacije svodi se na zamjenu bilo koje trenutne vrijednosti jednom od konačnog skupa dopuštenih vrijednosti, tzv. razine kvantizacije.

Vrsta signala u(t) kao rezultat zajedničkog uzorkovanja i operacija kvantizacije prikazan je na sl. 1 c). Diskretizirana vrijednost signala u(t), koji se nalazi između dvije razine kvantizacije identificira se s najbližom razinom kvantizacije. To dovodi do pogrešaka kvantizacije, koje su uvijek manje od koraka kvantizacije (kvantnosti), tj. što je korak kvantizacije manji, to je manja pogreška kvantizacije, ali su razine kvantizacije veće.

Broj razina kvantizacije na sl. 1 c) jednako je osam. Obično ih je mnogo više. Možete numerirati razine i izraziti ih u binarnom brojevnom sustavu. Za osam razina dovoljna su tri bita. Svaka diskretna vrijednost signala je u ovom slučaju predstavljena binarnim kodom (tablica 1) kao slijed signala dvije razine.

Tablica 6.1

Prisutnost ili odsutnost pulsa na određenom mjestu tumači se jednom ili nulom u odgovarajućoj znamenki binarnog broja. Digitalni prikaz signala u(t) prikazano na sl. 1 g). Impulsi najznačajnijih bitova nalaze se krajnje desno.

Tako, kao rezultat uzorkovanja, kvantizacije i kodiranja analognog signala, dobivamo slijed n-bitne kodne riječi koje slijede s razdobljem uzorkovanja T l. Istodobno, racionalna provedba operacija diskretizacije i kvantizacije dovodi do značajnog ekonomskog učinka, kako smanjenjem troškova pohrane i obrade primljenih informacija, tako i smanjenjem vremena obrade informacija.

5. Digitalni prijenosni sustavi. Osnove izgradnje telekomunikacijskih sustava i mreža

5. Digitalni prijenosni sustavi

5.1. Digitalni signali: uzorkovanje, kvantizacija, kodiranje

Trenutno se diljem svijeta razvija digitalni oblik prijenosa signala: digitalna telefonija, digitalna kabelska televizija, digitalni komutacijski sustavi i sustavi prijenosa, digitalne komunikacijske mreže. Kvaliteta digitalne komunikacije puno je veća od one analogne, budući da su digitalni signali mnogo otporniji na smetnje: nema nakupljanja šuma, lako se obrađuju, digitalni signali se mogu "komprimirati", što omogućuje organiziranje više kanala s velika brzina prijenosa i izvrsna kvaliteta u jednom frekvencijskom pojasu.

digitalni signal je niz impulsa. Općenito je prihvaćeno predstavljati slijed impulsa kao izmjenu dvaju znakova: 0 i 1. "Binary Digit" - "binary digit". Odatle je došao koncept bitova, to jest, jedna pozicija u digitalnom signalu je 1 bit; može biti 0 ili 1. Osam pozicija u digitalnom signalu definirano je konceptom bajt .

Prilikom prijenosa digitalnih signala uvodi se pojam brzine prijenosa - to je broj bitova koji se prenose u jedinici vremena (po sekundi).

Za prijenos kontinuiranih poruka digitalnim metodama potrebno je te poruke pretvoriti u diskretne, što se provodi uzorkovanjem kontinuiranih signala u vremenu i kvantiziranjem u smislu razine, te pretvaranjem kvantiziranih očitanja u digitalni signal.

Uzorkovanje signala sastoji se u zamjeni kontinuirane poruke u do (t) slijedom njezinih uzoraka, odnosno nizom impulsa moduliranih po amplitudi (vidi sliku 5.1, a). Frekvencija uzorkovanja F d bira se iz uvjeta (4.4.1). Rezultirajući analogni AIM signal u AIM (iT d), gdje je i = 1, 2, 3 ..., prikazan na slici 5.1, a, zatim se podvrgava operaciji kvantizacije koja se sastoji u zamjeni očitanja trenutnih vrijednosti ​​signala u AIM (iT d) s diskretnim vrijednostima u 0 , u 1 , u 2 … u 7 dopuštenih razina u kvadrat (iT d). U procesu kvantizacije, trenutne AIM vrijednosti razina signala u AIM (iT d) zamjenjuju se najbližim dopuštenim razinama signala u kV (iT d) (vidi sliku 5.1, a).

Slika 5.1. PCM princip: a – diskretizacija; b – pogreška kvantizacije; c - digitalni signal s PCM-om

Takva transformacija primarnih signala može se nazvati kvantizirana modulacija amplitude impulsa (KAIM). Značajka takvog signala je da se sve njegove razine mogu numerirati, te se time prijenos KAIM signala može svesti na prijenos nizova brojeva razina koje ovaj signal prima u trenucima i∙t e.

Udaljenost između najbližih dopuštenih razina kvantizacije (u 0 ... u 7 na slici 5.1, a) ∆ se naziva korak kvantizacije. Skala kvantizacije naziva se uniformnom ako su svi koraci kvantizacije međusobno jednaki ∆ j = ∆ 0 .

Ako u trenutku uzimanja i-tog uzorka, trenutna vrijednost kontinuirane poruke od u do (t i) zadovoljava uvjet

u j – ∆ j /2 ≤ u AIM (iT d) ≤ u j + ∆ j /2, (5.1)

tada je kvantiziranom impulsu u kv (iT d) dodijeljena amplituda dopuštene razine kvantizacije u j (vidi sliku 5.1, a). U tom slučaju dolazi do pogreške kvantizacije δ kv, koja predstavlja razliku između prenesene kvantizirane vrijednosti u kv (iT d) i prave vrijednosti kontinuiranog signala u danom trenutku u AIM (iT d) (vidi sliku 5.1, b) :

δ qv (iT d) \u003d u qv (iT d) - u AIM (iT d). (5.2)

Kao što slijedi iz slika 5.1, b i (5.1), pogreška kvantizacije je unutar

–∆ 0 /2 ≤ δ sq ≤ ∆ 0 /2. (5.3)

Amplitudna karakteristika uređaja za kvantizaciju s ujednačenom skalom kvantizacije prikazana je na slici 5.2, a. Ima stupnjevit oblik, a kada se kontinuirana poruka u do (t) i odgovarajući AIM signal u AIM (iT d) promijene unutar jednog koraka, izlazni signal ostaje konstantan, a kada se dosegne granica ovog koraka, mijenja se naglo za vrijednost koraka kvantizacije. U ovom slučaju pogreška kvantizacije ovisi o u do (t) i ima oblik prikazan na slici 5.2, b.

Slika 5.2. Amplitudna karakteristika kvantizatora (a) i ovisnost pogreške kvantizacije o amplitudi impulsa (b)

Kako slijedi iz slike 5.2, b, zbog nelinearnosti amplitudske karakteristike kvantizatora, pogreška kvantizacije δ kv je funkcija s velikim brojem oštrih skokova čija je stopa ponavljanja znatno veća od frekvencije izvorna poruka od u do (t), odnosno, tijekom kvantizacije, spektar signala se širi. U tom će se slučaju susjedni bočni pojasevi međusobno preklapati i komponente spektra izobličenja kvantizacije pasti će u propusni pojas niskopropusnog filtra na izlazu kanala, čija se raspodjela u niskopropusnom pojasu smatra jednolikom. Budući da su gotovo sve diskretne vrijednosti kontinuirane poruke unutar zone kvantizacije od –u granice do +u granice, onda s jednolikom skalom kvantizacije ∆ j = ∆ 0 i tada:

Pkv \u003d (1/12) ∆ 2 0. (5.4)

Iz izraza (5.4) može se vidjeti da s ujednačenom skalom kvantizacije snaga šuma kvantizacije ne ovisi o razini kvantiziranog signala i određena je samo korakom kvantizacije ∆ 0 .

Razmotrimo sada kodiranje i dekodiranje signala. Sljedeći korak u pretvorbi signala je pretvaranje kvantiziranog AIM signala u digitalni. Ova se operacija naziva AIM kodiranje signala. Kod je zakon koji uspostavlja korespondenciju između kvantizirane amplitude i strukture grupe kodova.

Razlikovati uniformne i neujednačene kodove. Ako se sve grupe kodova sastoje od jednakog broja znakova, tada se kod naziva uniformnim. Ako se kodne skupine sastoje od različitog broja znakova, tada se kod naziva neuniformnim. U PCM prijenosnim sustavima u pravilu se koristi uniformni binarni kod.

Za određivanje strukture binarne kodne riječi na izlazu enkodera, u najjednostavnijem slučaju, potrebno je u binarnom kodu upisati amplitudu AIM uzoraka, izraženu u koracima kvantizacije

gdje je a i = (0,1) stanje odgovarajuće znamenke kombinacije; 2 i je težina odgovarajuće znamenke u koracima kvantizacije.

Ako je u decimalnom sustavu "težina" svake pozicije broja donekle jednaka broju deset, tada se u binarnom sustavu umjesto broja deset koristi broj dva. "Težine" prvih trinaest pozicija binarnog broja imaju sljedeća značenja:

Tablica - 5.1

Prema principu rada enkoderi se dijele na enkodere brojajućeg tipa, matrične, težinske i druge. Najčešće korišteni enkoderi tipa ponderiranja, od kojih je najjednostavniji enkoder s bitnim ponderima (slika 5.3), koji implementira funkciju (5.5) iz formiranja prirodnog binarnog koda. Princip rada takvog enkodera je balansirati kodirana AIM očitanja sa zbrojem referentnih napona. Krug linearnog enkodera s ponderiranjem po bitu sadrži osam ćelija (za m = 8) koje osiguravaju formiranje vrijednosti koeficijenta a i odgovarajućeg bita (5.5). Svaka ćelija (s izuzetkom zadnje, koja odgovara znamenki s najmanjom značajkom) uključuje sklop za uspoređivanje SS i sklop za oduzimanje CB.

Krug za usporedbu pruža usporedbu amplitude dolaznog AIM signala s referentnim signalima, čije su amplitude jednake težinama odgovarajućih bitova

U et8 = 2 7 ∆ = 128 ∆; U et7 = 2 6 ∆ = 64∆; … U et1 = 2 0 ∆ = 1∆.

Ako je na ulazu SS i amplituda dolaznog AIM signala jednaka ili veća od U eti, tada se na izlazu kruga za usporedbu formira "1", a U eti se oduzima od ulaznog signala u SS i, nakon čega ulazi u ulaz sljedeće ćelije. Ako je amplituda AIM signala na ulazu SS i manja od U eti , tada se na izlazu SS i formira "0" i AIM signal prolazi kroz CB i nepromijenjen. Nakon završetka procesa kodiranja trenutnog uzorka, na izlazu enkodera dobiva se osam-bitni paralelni kod, enkoder se postavlja u početno stanje i počinje kodiranje sljedećeg uzorka.

Slika 5.3. Bitni linearni koder

Ako je, na primjer, na ulazu kodera primljen AIM brojač s amplitudom U AIM = 185∆, tada SS 8 generira P 8 = 1, a signal s amplitudom U AIM = 185∆ - 128∆ = 57∆ primljen je na ulaz sedme ćelije. Na izlazu SS 7 formirat će se P 7 = 0, a signal iste amplitude U AIM = 57∆ poslat će se na ulaz šeste ćelije enkodera. Na izlazu SS 6 formirat će se P 6 = 1, a na ulaz sljedeće ćelije bit će poslan signal amplitude U AIM = 57∆ - 32∆ = 25∆ i tako dalje. Kao rezultat, generirat će se kombinacija koda 10111001.

U procesu dekodiranja signalne m-bitne kombinacije kodova se pretvaraju u AIM uzorke odgovarajuće amplitude. Signal na izlazu dekodera dobiva se kao rezultat zbrajanja referentnih signala U ovih bitova kodne kombinacije, čija je vrijednost jednaka 1 (slika 5.4). Dakle, ako je na ulazu dekodera primljena kombinacija koda 10111001, tada će amplituda očitanja AIM-a na njegovom izlazu biti jednaka U AIM = 128∆ + 32∆ + 16∆ + 8∆ + 1∆ = 185∆ .

U linearnom dekoderu (slika 5.4), pod utjecajem upravljačkih signala koji dolaze iz opreme generatora, u registar pomaka upisuje se još jedna osmobitna kodna kombinacija. U trenutku dolaska očitavajućeg impulsa zatvorene su samo one tipke CL 1 ... CL 8 koje odgovaraju bitovima koji imaju vrijednost "1". Kao rezultat, odgovarajući referentni naponi se kombiniraju u zbrajaču i na njegovom izlazu se dobiva odgovarajuća amplituda očitanja AIM-a.

Slika 5.4. Dekoder tipa ponderiranja linije

Razmatrani sklop bitnog enkodera za ponderiranje (slika 5.3) sadrži veliki broj krugova za usporedbu, koji su relativno složeni uređaji. U praksi se češće koristi koder tipa ponderiranja s jednim krugom za usporedbu i povratnom petljom koja sadrži dekoder. Kao što slijedi iz izraza (5.4), snaga šuma kvantizacije u linearnom kodiranju bit će jednaka za različite amplitude kvantiziranih signala. Za sinusoidne signale, omjer signala i šuma kvantizacije izračunava se pomoću formule:

, (5.6)

gdje je U m amplituda kvantiziranog signala.

Iz formule se vidi da je za slabe ulazne signale taj omjer mnogo lošiji nego za signale velike amplitude. Kako bi se otklonio ovaj nedostatak, predloženo je korištenje neujednačene kvantizacije, odnosno promjena koraka kvantizacije proporcionalno promjeni amplitude ulaznog signala.

Za kodiranje s neuniformnom skalom kvantizacije može se koristiti:

• izravno nelinearno kodiranje, u kojem enkoder kombinira funkcije analogno-digitalne pretvorbe (ADC) i kompresora;
• analogno kompandiranje, u kojem se signal komprimira prije linearnog kodera, a signal se proširuje nakon linearnog dekodera;
• pretvorba temeljena na linearnom kodiranju, u kojoj se signal kodira u linearnom koderu s velikim brojem bitova, nakon čega slijedi digitalno kompandiranje.

Promjenjiva veličina koraka kvantizacije može se dobiti pomoću uređaja s nelinearnim amplitudnim odzivom (slika 5.5) (koji se naziva kompresor jer komprimira dinamički raspon ulaznog signala) i jednoličnim kvantizatorom (vidi sliku 5.2). Na prijemnoj strani, dinamički raspon je proširen ekspanderom, koji ima karakteristiku suprotnost kompresoru, što osigurava linearnost prijenosnog sustava. Skup operacija za komprimiranje dinamičkog raspona kompresorom i njegovo proširenje ekspanderom naziva se kompading signala.

Trenutno PCM TDM sustavi koriste karakteristiku spajanja tipa A (slika 5.5).

Na ovoj slici, segmentirana karakteristika kompresije tipa A za pozitivne signale (za negativne signale, karakteristika ima sličan oblik). Ukupan broj segmenata karakteristike je N c = 16, međutim, četiri središnja segmenta (po dva u pozitivnom i negativnom dijelu) imaju isti korak kvantizacije i zapravo čine jedan segment, zbog čega se broj segmenata je N c = 13. Stoga se ova karakteristika naziva tipom A = 87,16/13. U središnjem segmentu (N c = 1 ili 2) vrijednost ∆ 0 je minimalna (odnosno jednaka ∆ 0) i odgovara jednoličnoj dvanaesteroznamenkastoj skali (m = 12), a u svakom sljedećem segmentu, prema rubovima karakteristike, korak kvantizacije se udvostručuje.

Predstavljanje PCM signala osmobitnim kombinacijama koda koristi format "znak - apsolutna vrijednost", gdje jedan bit predstavlja polaritet AIM signala P, a ostali određuju njegovu apsolutnu vrijednost. Sedam znamenki koje predstavljaju apsolutnu vrijednost podijeljeno je na determinantu broja segmenta C od tri znamenke i determinantu koraka kvantizacije K od četiri znamenke (slika 5.6).

Slika 5.6. 8-bitni PCM kombinirani format

Za implementaciju takvog enkodera potrebno je postaviti vrijednosti referentnih napona za donju granicu svakog segmenta i kod kodiranja unutar segmenta (tablica 5.2).

Sheme i princip rada nelinearnih kodeka tipa ponderiranja u osnovi su isti kao i kod linearnih kodeka. Razlika je u slijedu u kojem se referentni naponi uključuju tijekom kodiranja izvornog signala.

Tablica 5.2. Referentni naponi za nelinearni kodek

Segment broj N sa	Referentni napon donje granice segmenta	Referentni naponi pri kodiranju unutar segmenta

Dakle, maksimalni korak kvantizacije (u sedmom segmentu) je 64 puta veći od minimalnog koraka kvantizacije, a omjer signala i šuma kvantizacije (za maksimalnu vrijednost sinusoidnog signala) može se odrediti izrazom (5.6) a bit će: za drugi segment

R s - R w q \u003d 7,78 + 20lg (A / ∆) = 7,78 + 20 log (32 ∆ 0 / ∆ 0) = 37,88 dB;

Za sedmi segment

R s - R w q \u003d 7,78 + 20 lg (2048∆ 0 / 64∆ 0) = 37,88 dB.

Ovisnost omjera signal-šum kvantizacije o razini ulaznog signala pri kompadiranju prema zakonu A = 87,6/13 prikazana je na slici 5.7. Za signale unutar granica nultog i prvog segmenta, jednolika kvantizacija se provodi s korakom ∆ 0, stoga P s - R w q raste s povećanjem r s. Prilikom prijelaza na drugi segment, korak kvantizacije se udvostručuje, zbog čega se P s - P w q naglo smanjuje za 6 dB, a zatim se unutar ovog segmenta povećava s povećanjem p s, budući da se unutar segmenta provodi jednolika kvantizacija. Nakon što signal uđe u zonu ograničenja, omjer signala i šuma naglo se smanjuje zbog preopterećenja enkodera.

Slika 5.7. Ovisnost P s / R w q \u003d f (r s)

Slika 5.8 prikazuje pojednostavljeni dijagram nelinearnog enkodera tipa vaganja koji implementira izravno kodiranje AIM signala.

Kodiranje se provodi u osam taktnih intervala, u svakom od kojih se formira jedan od simbola kombinacije koda (slika 5.6). U prvom ciklusu određuje se predznak uzorka primljenog na ulaz enkodera. Ako je broj pozitivan, tada se u predznačkom bitu formira "1" i generator pozitivnih referentnih napona PV 1 je spojen na sklop za preklapanje i zbrajanje SPSE standarda, inače se formira "0" i PV 2 je spojen na strujni krug. Tada se formira šifra broja segmenta dijeljenjem njihovog broja na pola (slika 5.9).

U drugom ciklusu upravljački logički sklop ULS i SPSE daju ulaz u krug za usporedbu referentnog signala U fl = 128 ∆ 0 koji odgovara donjoj granici četvrtog (srednjeg) segmenta. Ako je amplituda očitanja U AIM ≥ U ref = 128 ∆ 0 , tada je odlučeno da će amplituda očitanja pasti u jedan od četiri segmenta iznad i formira se sljedeći simbol X = 1, koji se preko povratnog kruga dovodi do unos ULS-a. U suprotnom se donosi odluka da amplituda očitanja padne u jedan od temeljnih segmenata i formira se X = 0.

U trećem ciklusu, ovisno o vrijednosti prethodnog simbola X, određuje se broj segmenta u koji pada amplituda kodiranog uzorka. Ako je X = 1, tada ULS i SPSE dovode referentni napon U et = 512 ∆ 0 koji odgovara donjoj granici šestog segmenta na ulaz SS. U ovom slučaju, ako je U AIM ≥ U ref = 512 ∆ 0, tada se odlučuje da očitanje pada u jedan od dva prelijepa segmenta i formira se sljedeći simbol Y = 1. Inače, ako je U AIM ≤ U ref = 512 ∆ 0, prihvaća se odluka da očitanje spada u dva temeljna segmenta i formira se Y = 0.

Ako je X = 0, tada ULS uz pomoć SPSE osigurava napajanje na ulazu referentnog napona SS U et = 32 ∆ 0 koji odgovara donjoj granici drugog segmenta. Ako je U AIM ≥ U ref = 32 ∆ 0 , tada je odlučeno da broj pada u drugi i treći segment i formira se Y = 1. Ako je U AIM ≤ U ref = 32 ∆ 0 , tada je odlučeno da se broj pada u dva temeljna segmenta i formira se Y = 0.

U četvrtom taktu na sličan način se oblikuje simbol Z i konačno se oblikuje šifra broja segmenta. Kao rezultat toga, nakon četiri ciklusa kodiranja, formirat će se četiri simbola osmobitne kodne kombinacije PXYZ (slika 5.6) i spojen je jedan od osam referentnih napona koji odgovaraju donjoj granici segmenta u kojem se nalazi kodirani uzorak. SS-u.

U preostala četiri ciklusa sekvencijalno se formiraju ABCD simboli kombinacije koda, čije vrijednosti ovise o broju koraka kvantizacije unutar segmenta koji odgovara amplitudi kodiranog uzorka. Budući da se ujednačena kvantizacija provodi unutar bilo kojeg segmenta, proces kodiranja se provodi, kao kod enkodera s linearnim ponderiranjem, uzastopnim uključivanjem referentnih napona koji odgovaraju ovom segmentu (tablica 5.2).

Radionica o korištenju nelinearnog enkodera s kompadom prema zakonu A = 87,6/13:

Na primjer, ako se na ulaz kodera primi pozitivan uzorak s amplitudom U AIM = 889 ∆ 0, tada će se nakon prva četiri ciklusa formirati simboli PXYZ = 1110 i referentni napon U et = 512 ∆ 0 će se spojiti na CC, što odgovara donjoj granici šestog segmenta, budući da je kodirani signal u ovom segmentu. U petom ciklusu, ovom referentnom signalu se dodaje maksimalni referentni napon U et = 256 ∆ 0 koji odgovara simbolu A u determinanti koraka kvantizacije K (slika 5.6) šestog segmenta (tablica 5.2). Budući da U AIM > U ref = (512 +256) ∆ 0, tada se formira simbol A = 1 i ovaj referentni napon ostaje uključen. U šestom ciklusu se spaja referentni napon koji odgovara simbolu B u determinanti koraka kvantizacije U et = 128 ∆ 0 i budući da je U AIM > U et = (512 +256 + 128) ∆ 0, tada je simbol B = 1 nastaje na izlazu SS i to je referentni napon ostaje uključen. U sedmom ciklusu se priključuje referentni napon koji odgovara simbolu C u determinanti koraka kvantizacije U et = 64 ∆ 0 i budući da je U AIM< U эт = (512 +256 + 128 + 64) ∆ 0 , то на выходе СС формируется символ С = 0. В восьмом такте вместо U эт = 64 ∆ 0 подключается эталонное напряжение соответствующее символу D в определителе шага квантования U эт = 32 ∆ 0 и так как U АИМ < U эт = (512 +256 + 128 + 32) ∆ 0 , то на выходе СС формируется символ D = 0 и это эталонное напряжение отключается и на этом процесс кодирования очередного отсчёта заканчивается. При этом на выходе кодера сформирована кодовая комбинация PXYZABCD = 11101100, соответствующая амплитуде уравновешивающего АИМ сигнала на входе СС U АИМ = 896 ∆ 0 . Разница между входным и уравновешивающим АИМ сигналами на входах СС представляет ошибку квантования δ кв = U АИМ – U АИМ = 7∆ 0 .

5.2. Digitalne hijerarhije

Prilikom odabira DSP hijerarhije potrebno je uzeti u obzir sljedeće zahtjeve: standardizirane brzine prijenosa treba odabrati uzimajući u obzir mogućnost korištenja digitalnih i analognih prijenosnih sustava te električne karakteristike postojećih i budućih komunikacijskih linija; pruža mogućnost sinkrone i asinkrone kombinacije, razdvajanja i tranzita digitalnih tokova i signala u digitalnom obliku. Dodatno, DSP višeg reda mora zadovoljiti zahtjev da brzina prijenosa u grupnom digitalnom signalu bude neovisna o vrsti prenesenih informacija i načinu generiranja tog signala.

Ove zahtjeve ispunjava europska DSP hijerarhija, koja se temelji na primarnom DSP PCM-30 sa brzinom prijenosa grupnog digitalnog signala od 2048 kbps (F t = 2048 kHz) (slika 5.10).

Slika 5.10. Europska hijerarhija digitalnih prijenosnih sustava

Relativno povećanje brzine prijenosa u svakoj sljedećoj razini hijerarhije u odnosu na prethodnu povezano je s potrebom povećanja količine servisnih informacija s povećanjem broja kanala.

Hijerarhija DSP-a s PCM-om. Pojednostavljeni blok dijagram opreme TRC-a s PCM-om prikazan je na slici 5.11, gdje je, radi jednostavnosti, prikazana pojedinačna oprema jednog kanala.

Slika 5.11. Pojednostavljeni blok dijagram opreme za kombiniranje (AO) i odvajanje (AR) za RTV s PCM

Telefonska poruka od u do (t) kroz niskopropusni filtar (LPF) diferencijalnog sustava (DS), koji ograničava spektar signala frekvencijom od 3,4 kHz, dovodi se na ulaz AIM modulatora (M AIM). U modulatoru se uzorkuje kontinuirani signal, odnosno pretvara se u niz amplitudno moduliranih impulsa koji imaju frekvenciju F d =8 kHz.

Signali iz AIM-a svih kanala kombiniraju se u grupni AIM signal (vidi sliku 5.1, c), koji se dovodi u kompresor (Km). Nakon kompresije, grupni AIM signal se kvantizira i kodira u koderu (Kd). Iz izlaza Kd se dvorazinski digitalni signal dovodi do kombiniranog uređaja (UO), gdje se primaju impulsi od odašiljača (P) SUV i od odašiljača signala cikličke sinkronizacije (PCS). Tako se u CR formira grupni digitalni signal čija je struktura ciklusa prikazana na slici 5.12.

Slika 5.12. Struktura ciklusa grupnog signala TCM s PCM

Parametri binarnog digitalnog signala ne slažu se dobro s parametrima stvarnih dalekovoda koji ne prolaze niskofrekventne komponente spektra takvog signala. Stoga se binarni signal u kodnom pretvaraču (PCC) prekodira u tzv. linijski kod, u kojem su niskofrekventne komponente oslabljene i zbog toga se karakteristike bolje kombiniraju s parametrima linije. Rad svih AO blokova sinkroniziran je signalima koje generira razdjelnik prijenosnih kanala (RKp).

Na prijemnoj strani, PCM signal se obrnuto pretvara u AIM kvantizirani signal (dekodira). Da biste to učinili, kontinuirani tok simbola mora biti podijeljen u skupine kodova, od kojih svaka odgovara jednom uzorku kvantiziranog signala. Dekodirani signal sličan je kvantiziranim očitanjima izvornog signala u kv (iT d) (vidi sliku 5.1, a), koji u svom spektru imaju komponente s frekvencijama Ω n ... Ω u odaslanoj poruci u k (t). Prema tome, iz impulsnog niza u* kv (iT d) primljena poruka u* k (t) se dodjeljuje pomoću niskopropusnog filtra.

Na prijemnoj strani, signal se preko kabela dovodi do prijemnog kodnog pretvarača (PKpr), gdje se linijski kod pretvara u binarni i ulazi u uređaj za odvajanje (UR). Iz izlaza SD-a ciklički sinkronizirani signal i SUV dolaze do svojih prijamnika, a kodne skupine govornih signala u dekoderu (Dc) se pretvaraju u grupni AIM signal, koji nakon ekspandera (EC) ulazi u birače vremena (TS) koji se otvaraju i propuštaju AIM impulse koji se odnose na ovaj kanal. Demodulacija signala u kanalu se provodi u LPF-u.

Radom AR-a upravlja razdjelnik prijemnih kanala (RKpr), čiju sinkronizaciju obavlja taktna frekvencija dodijeljena iz grupnog digitalnog signala uskopojasnim filtrom koji se nalazi na izlazu PKpr i okvirom sinkronizacija.

Razmotrite metode sinkronizacije. Za koordiniran rad AO, AR i regeneratora potrebno je osigurati jednakost brzina obrade signala, ispravnu distribuciju AIM signala i SUV-a. To se postiže sinkronizacijom regeneratora, opreme AR generatora prema taktnoj frekvenciji i prema ciklusima primljenog digitalnog signala.

Uz N gr intervala kanala i m bitova u skupinama informacijskih kodova, taktna frekvencija grupnog digitalnog signala

F t \u003d F d ∙ m ∙ N gr. (5.7)

Dakle, za sustav PCM-30, dizajniran za N gr = 32 intervala kanala s osmobitnom kodnom grupom, F t = 8∙8∙32 = 2048 kHz. Skupni digitalni signal u PCM (t) je slučajni niz binarnih impulsa (slika 5.1, c). Taj se slijed može predstaviti kao zbroj periodičnih i slučajnih nizova. Periodični slijed impulsa ima diskretni spektar i pri τ i jednakim T i T/2, diskretne komponente će imati frekvencije F=0; F t i tako dalje (vidi sliku 5.13, gdje su ove komponente označene točkama). Slučajni bipolarni slijed definira kontinuirani spektar (slika 5.13) izvorne binarne sekvence.

Slika 5.13. Energetski spektar slučajnog niza binarnih impulsa (a, b) i PRF signala (c) (komponente diskretnog spektra označene su točkama)

Iz slike 5.13 proizlazi da maksimalna energija sata ima slučajni binarni niz s τ i = T/2. Oscilacije s frekvencijom takta F t odvojene su od takve sekvence uskopojasnim filtrom i koriste se u regeneratoru za sinkronizaciju rada uređaja za odlučivanje.

Sustav kadriranja određuje početak ciklusa prijenosa i osigurava distribuciju vrijednosti uzorka analognih signala dekodiranih na kraju prijema preko njegovih kanala, u skladu s AO. Netočnost sinkronizacije okvira dovodi do povećanja vjerojatnosti pogrešaka u informacijskim kanalima. Kako bi se povećala otpornost na buku, kao ciklički taktni signal koristi se skupina simbola konstantne strukture sa stopom ponavljanja od 4 kHz (slika 5.12), odnosno DS se prenose kroz ciklus prijenosa.

Razmotrimo integraciju DSP-a na temelju asinkronog unosa digitalnih signala. Potreba za kombiniranjem digitalnih tokova javlja se pri formiranju grupnog digitalnog signala iz digitalnih tokova sustava nižeg reda, od različitih signala koji se prenose u digitalnom obliku, kao i kada se diskretni signali iz različitih izvora informacija unose u grupni digitalni signal (slika 5.14). Digitalni tokovi se generiraju u DSP-u, čiji se glavni oscilatori mogu sinkronizirati ili ne sinkronizirati s glavnim oscilatorom kombinirane opreme. U skladu s tim izvodi se sinkrona ili asinkrona kombinacija digitalnih tokova.

Slika 5.14. Pojednostavljeni blok dijagram (a) znak po znak (b) i kanal po kanal (c) kombinacija digitalnih tokova

Za privremeno kombiniranje asinkronih digitalnih tokova, prvo morate uskladiti njihove brzine, odnosno "vezati" ih na jednu referentnu frekvenciju. Prilikom prijema, ukupni signal se distribuira na odgovarajuće izlaze. Bitovi koji dolaze na ulaz prijenosnog sustava iz četiri informacijska toka zapisuju se u memorijske ćelije memorijskog uređaja (memorije), a zatim se čitaju s njih i šalju u liniju. Ako bi se sadržaj memorijskih ćelija smatrao bržim, formirao se "prazan" vremenski interval za umetanje sinkroniziranih impulsa. Stroga periodičnost signala sata jedno je od najvažnijih svojstava za njegovo prepoznavanje.

Ako se generator pokaže nestabilnim, tada će doći do pomaka u vremenu "praznih" intervala i stroga periodičnost njihovog ponavljanja bit će narušena. Sustav sinkronizacije i sva oprema u cjelini mogu pokvariti. Kako biste to izbjegli, primijenite postupak usklađivanja brzine ili, kako se to često naziva, usklađivanja brzine.

Poseban kontroler nadzire međusobnu poziciju impulsa upisivanja i čitanja, a ako pulsevi čitanja počnu brže slijediti (razmak između susjednih parova tih impulsa se smanjuje), tada regulator signalizira da se pojavio "prazan" interval prije vremena . Drugi uređaj unosi lažni puls u prazan interval koji ne nosi nikakvu informaciju. U ovom slučaju imamo posla s pozitivnim podudaranjem brzine.

Gore opisani postupak usklađivanja brzine naziva se osobljem (od engleskog "staffing" - umetnuti). Prijamnoj stanici se šalje naredba da je došlo do usklađivanja brzine kako bi se eliminirao lažni puls. Radi pouzdanosti, naredba za usklađivanje stope duplicira se mnogo puta, na primjer, šalje se tri puta.

Ako generator rjeđe generira impulse čitanja i "prazan" interval bi se već trebao pojaviti u digitalnom toku, a impulsi sata još nisu pročitali informacijski impuls koji mu prethodi iz memorije, tada ćete morati isključiti dodatni bit iz digitalni stream i osiguravaju vremenski interval za prijenos sljedećeg sinkroniziranog impulsa. Taj se sporazum naziva negativnim.

Stoga je potrebno obavijestiti prijemnu stanicu koji je dogovor postignut: pozitivan ili negativan. U tu svrhu upisuje se naredba "Vrsta sporazuma" koja šalje 1 na drugi servisni kanal za pozitivan dogovor i 0 za negativan dogovor. Također se ponavlja tri puta. Dakle, informacija o uklanjanju ili dodavanju impulsa prenosi se na posebno dodijeljene pozicije impulsa, a na temelju tih informacija, na prijemnoj strani, prilikom dijeljenja digitalnih tokova, vraćaju se njihove brzine (slika 5.14). Kombinacija tokova s ​​izjednačavanjem brzina nazvana je plesiokrona, odnosno gotovo sinkrona, a postojeća hijerarhija brzina prijenosa digitalnih tokova, a samim tim i prijenosnih sustava PCM tipa, nazvana je plesiokrona digitalna hijerarhija (na engleskom PDH - Plesiohronous Digital Hierarchy).

Asinkronom metodom kombiniranja u blokovima digitalnog sučelja BCS traka (slika 5.14), brzine digitalnih tokova kombiniranih sustava usklađuju se s njihovim omjerom s frekvencijom sata kombiniranog toka i potrebnim vremenskim pozicijama signala postavljeni su kombinirani tokovi (KCP - digitalni stream collector, RDP - digitalni stream distributer). Za sinkronizaciju puta prijenosa i prijema preko multicast digitalnog toka, podijeljen je na cikluse, na čijem početku se uvodi sinkronizacijski signal (slika 5.14, b i c). Kombiniranjem digitalnih tokova kanal po kanal, intervali dodijeljeni kodnim skupinama sužavaju se i raspoređuju u vremenu (slika 5.14, c).

Ove hijerarhije, zajedno poznate kao PDH ili PDH, sažete su u tablici 5.3.

Tablica 5.3 - Usporedba hijerarhija

digitalna razina hijerarhija	Odgovarajuće brzine prijenosa razne digitalne hijerarhijske sheme
	AC: 1544 kbps	YAS: 1544 Kbps	EC: 2048 kbps

Gdje: AC - američka shema;

YaS - japanska shema;

EU je europska shema.

No PDH je imao niz nedostataka, a to su:

• otežan unos/izlaz digitalnih tokova na međutočkama;
• nedostatak sredstava za automatsku kontrolu i upravljanje mrežom;
• višestupanjski oporavak sinkronizma zahtijeva prilično dugo vremena;

Ovi nedostaci PDH, kao i niz drugih čimbenika, doveli su do razvoja u Europi slične sinkrone digitalne hijerarhije SDH.

Sinkrona digitalna hijerarhija.

Nova SDH digitalna hijerarhija je način multipleksiranja različitih digitalnih podataka u jednu jedinicu tzv sinkroni transportni modul (STM), za prijenos ovog modula preko komunikacijske linije. Pojednostavljena STM struktura prikazana je na slici 5.15:

Slika 5.15 - Struktura sinkronog transportnog modula STM-1

Modul je okvir (frame) 9∙270 = 2430 bajtova. Uz odaslanu informaciju (koja se u literaturi naziva korisnim opterećenjem), u 4. retku sadrži pokazivač (Pointer, PTR) koji određuje početak zapisa korisnog opterećenja.

Sekcija iznad glave (SOH) je napisana na lijevoj strani okvira kako bi se definirala putanja transportnog modula. Donjih 5∙9 = 45 bajtova (nakon pokazivača) odgovorni su za isporuku informacija do tog mjesta u mreži, do onog multipleksora gdje će se ovaj transportni modul preformatirati. Ovaj dio zaglavlja naziva se zaglavlje sekcije multipleksera (MSOH). Gornjih 3∙9 = 27 bajtova (prije pokazivača) su zaglavlje odjeljka regeneratora (RSOH), gdje će se tok oštećen bukom vratiti i greške u njemu ispraviti.

Jedan ciklus prijenosa uključuje čitanje reda iz takve pravokutne tablice. Redoslijed bajtova je slijeva na desno, odozgo prema dolje (isto kao kod čitanja teksta na stranici). Vrijeme ciklusa prijenosa STM-1 je 125 µs, tj. ponavlja se na frekvenciji od 8 kHz. Svaka ćelija odgovara brzini prijenosa od 8 bita ∙ 8 kHz = 64 kbps. To znači da ako potrošimo 125 μs na prijenos svakog pravokutnog okvira, tada će se na liniju u sekundi prenijeti 9∙270∙64 Kbps = 155520 Kbps, t.j. 155 Mbps.

Tablica 5.4 - Sinkrona digitalna hijerarhija

Razina hijerarhija	Sinkroni tip transportni modul	Brzina prijenosa, Mbps

Za stvaranje snažnijih digitalnih tokova u SDH sustavima formirana je sljedeća hijerarhija velike brzine (Tablica 5.4): 4 STM-1 modula kombiniraju se multipleksiranjem bajtova u STM-4 modul koji se prenosi brzinom od 622,080 Mbps; zatim se 4 STM-4 modula kombiniraju u STM-16 modul sa brzinom prijenosa od 2488,320 Mbps; konačno 4 modula STM-16 mogu se kombinirati u modul velike brzine STM-64 (9953,280 Mbps).

Slika 5.17 prikazuje formiranje modula STM-16. Najprije se svaka 4 STM-1 modula kombiniraju u STM-4 modul pomoću multipleksora s četiri ulaza, zatim se četiri STM-4 modula multipleksiraju istim multiplekserom s četiri ulaza u STM-16 modul. Međutim, postoji multiplekser sa 16 ulaza koji može istovremeno kombinirati 16 STM-1 modula u jedan STM-16 modul.

Slika 5.16 - Formiranje sinkronog transportnog modula STM-16

Formiranje modula STM-1. U SDH mreži se primjenjuju principi kontejnerskog prijevoza. Signali koji se transportiraju prethodno se stavljaju u standardne kontejnere (kontejner - C). Sve operacije s kontejnerima izvode se bez obzira na njihov sadržaj, čime se postiže transparentnost SDH mreže, t.j. sposobnost prijenosa različitih signala, posebno PDH signala.

Najbliži po brzini prvoj razini SDH hijerarhije (155,520 Mbps) je digitalni tok brzine 139,264 Mbps, formiran na izlazu opreme za plesiokronu digitalnu hijerarhiju IKM-1920. Najlakše ga je smjestiti u STM-1 modul. Da bi se to postiglo, dolazni digitalni signal se prvo "pakira" u spremnik (tj. postavlja se na određene pozicije u svom ciklusu), koji je označen C-4.

Okvir spremnika C-4 sadrži 9 redaka i 260 jednobajtnih stupaca. Dodavanjem još jednog stupca s lijeve strane - zaglavlja rute ili puta (Path Over Head - RON) - ovaj se spremnik pretvara u virtualni VC-4 spremnik.

Konačno, za postavljanje virtualnog spremnika VC-4 u modul STM-1, on je opremljen pokazivačem (PTR), čime se formira administrativna jedinica AU-4 (Administrative Unit), a potonja se postavlja izravno u STM- 1 modul zajedno sa zaglavljem odjeljka SOH (slika 5.17 i slika 5.18).

Sinkroni transportni modul STM-1 također se može puniti plesiokronim streamovima brzinom od 2,048 Mbps. Takve tokove generira oprema IKM-30 i naširoko se koriste u modernim mrežama. Za početno "pakiranje" koristi se spremnik C12. Digitalni signal se postavlja na određene pozicije ovog spremnika. Dodavanjem zaglavlja za usmjeravanje, odnosno transporta (RON), formira se virtualni spremnik VC-12. Virtualni spremnici se formiraju i raspuštaju na krajnjim točkama puta.

Slika 5.17. Postavljanje kontejnera u modul STM-1

STM-1 može primiti 63 VC-12. Pritom postupite na sljedeći način. Virtualni kontejner VC-12 opremljen je pokazivačem (PTR) i na taj način tvori transportnu jedinicu TU-12 (Tributarna jedinica). Sada se digitalni tokovi različitih transportnih blokova mogu kombinirati u digitalni tok od 155,520 Mbit/s (slika 5.18). Prvo se tri TU-12 multipleksiraju u grupu transportnih blokova TUG-2 (Tributarna jedinica grupa), zatim se sedam TUG-2 multipleksiraju u grupe transportnih jedinica TUG-3, a tri TUG-3 se kombiniraju zajedno i stavljaju u virtualnu kontejner VC-4. Nadalje, poznat je put transformacije.

Slika 5.18 također prikazuje način postavljanja u STM-N, N=1,4,16 različitih digitalnih tokova iz opreme plesiokrone digitalne hijerarhije. Postavljaju se pleziokroni digitalni tokovi svih razina
u C kontejnerima postupkom izjednačavanja brzine (pozitivno, negativno i dvosmjerno).

Prisutnost velikog broja pokazivača (PTR) omogućuje vam da u potpunosti
jasno identificirati mjesto u STM-N modulu bilo kojeg digitalnog
protok s brzinama od 2,048; 34,368 i 139,264 Mbps. Industrijski dostupni I/O multiplekseri (Add/Drop Multiplexer -
ADM) omogućuju vam grananje i dodavanje digitalnih tokova.

Slika 5.18. Unos plesiokronih digitalnih tokova u STM-N sinkroni transportni modul

Važna značajka SDH opreme je da se, osim informacija o usmjeravanju, stvara puno informacija u stazi i mrežnim zaglavljima, što omogućuje praćenje i kontrolu cijele mreže u cjelini, za daljinsko prebacivanje u multiplekserima. na zahtjev kupaca, pratiti i dijagnosticirati, pravovremeno otkrivati ​​i otklanjati kvarove, provoditi učinkovit rad mreže i održavati visoku kvalitetu pruženih usluga.

PDH i SDH hijerarhije međusobno djeluju kroz postupke za multipleksiranje i demultipleksiranje PDH tokova u SDH sustave.

Glavna razlika između SDH sustava i PDH sustava je prijelaz na novi princip multipleksiranja. SDH sustav obavlja sinkrono multipleksiranje / demultipleksiranje, što vam omogućuje organiziranje izravnog pristupa PDH kanalima koji se prenose u SDH mreži. Ova prilično važna i jednostavna inovacija u tehnologiji dovela je do toga da je općenito tehnologija multipleksiranja u SDH mreži puno kompliciranija od tehnologije u PDH mreži, zahtjevima za sinkronizaciju i parametrima kvalitete prijenosnog medija i prijenosa. sustava se povećao, a broj parametara bitnih za rad mreže.

Test pitanja:

1. Što je digitalni signal?
2. Navedite glavne prednosti digitalne komunikacije u odnosu na analognu?
3. Dajte pojam brzine prijenosa?
4. Kojom brzinom treba uzorkovati analogni signal?
5. Objasnite bit kvantizacije?
6. Kako odrediti grešku kvantizacije signala?
7. Zapišite broj 859 u binarnom obliku.
8. Kodirajte pozitivno očitanje od 358 mA u simetričnom osmobitnom kodu. Što je pogreška kvantizacije?
9. Dajte koncept plesiokrone digitalne hijerarhije?
10. Zašto je potrebno uskladiti brzine prijenosa različitih tokova kada se kombiniraju u stream velike brzine? Kako se provodi koordinacija?
11. Princip sinkrone digitalne hijerarhije, njegove prednosti u odnosu na plesiokronu digitalnu hijerarhiju?
12. Čemu služi pokazivač (PTR)?
13. Opišite strukturu sinkronog transportnog modula.
14. Kako STM-N prihvaća tri streama brzinom od 34,368 Mbps iz opreme PCM-480 plesiokrone digitalne hijerarhije.

Signal (od lat. signum-znak)- znak, fizički proces (ili pojava) koji nosi informaciju o događaju, stanju objekta promatranja ili prenosi kontrolne naredbe, upute, upozorenja.

Signal je materijalni nositelj informacija koji se prenosi od izvora do potrošača.

Signal je fizički proces koji se mijenja u vremenu. Takav proces može sadržavati različite karakteristike. Kada signal stupi u interakciju s fizičkim tijelima, dolazi do određenih promjena u svojstvima tih tijela, koje se mogu registrirati. Stoga ćemo pretpostaviti da su podaci registrirani signali. Karakteristika koja se koristi za predstavljanje podataka naziva se parametar signala. Ako parametar signala poprimi niz uzastopnih vrijednosti i konačan broj njih, signal se naziva diskretna. Ako je parametar signala kontinuirana funkcija, tada se kaže da je signal kontinuiran.

Kvantizacija signala- pretvaranje signala u slijed impulsa (kvantizacija signala po vremenu) ili u signal s postupnom promjenom amplitude (kvantizacija signala po razini), kao i istovremeno i u vremenu i u razini. Koristi se za pretvaranje kontinuirane vrijednosti u kod u računalnim uređajima, digitalnim mjernim instrumentima itd.

Podaci, naravno, nose informaciju, ali im nisu identični. Da bi podaci postali informacija, potrebno je imati metode za pretvaranje jedne vrijednosti u drugu. Podaci su dijalektička komponenta informacije. Prema načinu registracije, podaci se mogu pohranjivati ​​i prenositi na različite vrste medija.

Papir je danas najčešće korišteni medij za pohranu podataka. Na papiru se podaci bilježe promjenom optičkih karakteristika njegove površine. Istodobno, promjena površinske refleksije u određenom rasponu valnih duljina koristi se u uređajima koji snimaju laserskom zrakom na plastični medij s reflektirajućim premazom (CD ROM). Magnetske vrpce i magnetski diskovi, koji služe kao glavni nositelji informacija u modernim računalima, koriste promjenu magnetskih svojstava tijela. Svojstva informacija koje prima korisnik usko su povezana sa svojstvima nositelja podataka od kojih će se te informacije dobiti. Parametrom se može karakterizirati bilo koji nositelj razlučivost, tj. količina podataka zabilježena u mjernoj jedinici prihvaćenoj na nosaču, i dinamički raspon- logaritamski omjer intenziteta amplituda maksimalnog i minimalnog snimljenog signala. Takva svojstva informacija kao što su potpunost, dostupnost i pouzdanost ovise o tim svojstvima nositelja. Zadaća transformacije podataka u svrhu promjene nositelja jedna je od najvažnijih zadaća informatike. U troškovima računalnih sustava, uređaji za unos i izlaz podataka koji rade s nosiocima informacija čine najmanje polovicu troškova hardvera.

Uzrokujući dijalektičko jedinstvo podataka i metoda u informacijskom procesu, definirani su sljedeći pojmovi.

Dinamička priroda informacija. Podaci su statični. Informacija se dinamički mijenja i postoji samo u trenutku interakcije podataka i metoda. Dakle, informacija postoji samo u trenutku informacijskog procesa. Ostatak vremena sadržan je u obliku podataka.

Zahtjevi za primjerenost metoda. Isti podaci mogu pružiti različite informacije u trenutku konzumacije, ovisno o stupnju adekvatnosti metoda koje s njima djeluju. Korištenje adekvatnijih metoda dat će potpunije informacije.

Dijalektička priroda interakcije podataka i metoda. Podaci su objektivni, rezultat su registracije objektivno postojećih signala uzrokovanih promjenama u materijalnim poljima ili tijelima. U isto vrijeme, metode su subjektivne. Umjetne metode temelje se na algoritmu, t.j. uređeni slijed naredbi koje je sastavila i pripremila osoba (subjekt). Prirodne metode temelje se na biološkim svojstvima subjekata informacijskog procesa.

Dakle, informacija nastaje i postoji u trenutku dijalektičke interakcije objektivnih podataka i subjektivnih metoda.

Za automatizaciju rada s podacima koji pripadaju različitim vrstama i koji nose različite informacije, vrlo je važno ujednačiti oblik njihovog prikaza. Za to se obično koristi kodiranje.

Kodiranje je izraz podataka jedne vrste u terminima podataka druge vrste.

Prirodni ljudski jezici nisu ništa drugo nego sustavi kodiranja koncepta za izražavanje misli govorom.

U računalnoj tehnici rad se obavlja s brojčanim informacijama. Ostali informativni tekstovi, zvukovi, slike itd. za obradu u računalnom okruženju mora se pretvoriti u numerički oblik. U tom se slučaju svi brojevi zapisuju u memoriju računala pomoću tzv. binarnog kodiranja. Binarno kodiranje temelji se na prikazu podataka kao niza samo dva znaka 0 i 1. Ti se znakovi nazivaju binarne znamenke, na engleskom binary digit ili skraćeni (bit) bit.

Sustav binarnog kodiranja nije odabran slučajno. Tehnički se lako implementira. Elektronički sklopovi za obradu binarnih kodova moraju biti u jednom od dva stanja "signal/bez signala" ili "visok/niski" napon itd. Shema je lako prebaciti iz jednog stanja u drugo.

Bit- najmanja jedinica informacije u računarstvu. Jedna binarna znamenka.

Skupina od osam bitova naziva se bajt i predstavlja osnovu za pohranjivanje informacija u memoriju računala.

• 1024 bajta = 1 kilobajt (KB)
• 1024 kilobajta = 1 megabajt (MB)
• 1024 megabajta = 1 gigabajt (GB)

Za ispravno razumijevanje načina na koji su informacije predstavljene u memoriji računala, razmotrimo različite sustave brojeva koje koriste moderni računalni alati.

Notacija je skup pravila za imenovanje i prikaz brojeva pomoću skupa znakova.

Brojevni sustavi su pozicione i nepozicione.

Nepozicijski brojevni sustav- Ovo je sustav u kojem se red znamenke u broju određuje prema utvrđenom pravilu. Na primjer, nepozicijski brojevni sustav je "rimski" sustav.

Pozicijski brojevni sustav, naziva se sustav - gdje je red znamenke u broju određen nizom stupnjeva broja, koji je baza zadanog brojevnog sustava.

Općenito, cijeli broj u pozicijskom brojevnom sustavu može se predstaviti izrazom:

N (m) = k0 * m0 + k1 * m1 +…kn-1 * mn-1, gdje je

N(m) - broj u m-tom brojevnom sustavu;

m - kapacitet sustava (binarni, oktalni, decimalni, heksadecimalni sustavi m = 2; m = 8; m = 10, m = 16);

n je broj znamenki u broju;

k je znamenka u broju.

Razmotrimo kako se brojevi zapisuju u pozicionim brojevnim sustavima koje koristi moderna računalna tehnologija.

Decimalni brojevni sustav.

Osnova decimalnog sustava je niz potencija 10. Kapacitet sustava je m = 10. U dekadnom brojevnom sustavu ima 10 znamenki (od 0 do 9). Uzmimo, na primjer, decimalni broj 1957. Broj se sastoji od četiri znamenke - četiri znamenke, t.j. n=4. Koristeći gornju formulu, dobivamo broj u decimalnom brojevnom sustavu.

N(10) = 7*100 + 5*101 + 9*102 + 1*103 = 1957

Binarni brojevni sustav.

Osnova binarnog sustava je niz stepena broja 2. Kapacitet sustava je m = 2. U binarnom brojevnom sustavu postoje 2 znamenke (0 i 1). Uzmimo, na primjer, binarni broj 100011B (B-identifikator binarnog brojevnog sustava). Broj se sastoji od šest znamenki - šesteroznamenkasti, t.j. n = 6. Koristeći gornju formulu, dobivamo decimalni broj.

N(2) = 1*20 + 1*21 + 0*22 + 0*23 + 0*24 + 1*25 = 35, tj. binarni broj 100011B = decimalni broj 35.

Imajte na umu da se iste znamenke mogu koristiti za pisanje brojeva u pozicionim brojevnim sustavima. Dakle, brojevi 0 i 1 se koriste i u decimalnim i u binarnim sustavima. Stoga je u pisanju brojeva nedecimalnog brojevnog sustava uobičajeno koristiti slova koja su identifikatori brojevnih sustava i omogućuju vam razlikovanje brojeva iz jednog brojevnog sustava od drugog.

Oktalni brojevni sustav

Osnova oktalnog sustava je broj potencija od 8. Kapacitet sustava je m = 8. U oktalnom brojevnom sustavu ima 8 znamenki (od 0 do 7). Uzmimo, na primjer, oktalni broj 573Q (Q-identifikator oktalnog brojevnog sustava). Broj se sastoji od tri znamenke - troznamenkaste, t.j. n = 3. Koristeći gornju formulu, dobivamo decimalni broj.

N(8) = 3*80 + 7*81 + 5*82 = 379, tj. oktalni broj 573Q = decimalni broj 379.

Heksadecimalni brojevni sustav.

Osnova heksadecimalnog sustava je niz stepena od 16. Kapacitet sustava je m = 16. U heksadecimalnom brojevnom sustavu postoji 16 znamenki (od 0 do F), prvih deset znamenki od 0 do 9 podudaraju se s znamenke decimalnog sustava, a zatim slijede brojevi: A - broj deset ; B - broj jedanaest; C - broj dvanaest; D - broj trinaest; E - broj četrnaest; F je broj petnaest. Uzmimo, na primjer, heksadecimalni broj 1A7H (H-identifikator heksadecimalnog brojevnog sustava). Broj se sastoji od tri znamenke - troznamenkaste, t.j. n = 3. Koristeći gornju formulu, dobivamo decimalni broj.

N(16) = 7*160 + 10*161 + 1*162 = 423, tj. heksadecimalni broj 1A7H = decimalni broj 423.

Svaki put kada izračunamo broj N(m) koristeći gornju formulu, dobivamo broj u decimalnom sustavu. Tako smo brojeve iz 2., 8. i 16. sustava preveli u decimalni brojevni sustav.

Za prijenos govornog signala preko digitalnog komunikacijskog kanala potreban je postupak analogno-digitalne konverzije (ADC) koji se sastoji od 3 stupnja: uzorkovanja, kvantizacije i kodiranja. Diskretizacija je postupak uzimanja pojedinačnih vrijednosti signala u pravilnim intervalima.

U ovom slučaju, što se više razina koristi, to će točnije biti moguće vratiti signal u izvorni oblik na prijemnoj strani.

Većina signala u početku se generira u analognom obliku. Zatim se pretvaraju u digitalne signale pomoću analogno-digitalnih pretvarača (ADC). U budućnosti se ponovno pretvaraju u analogne signale pomoću digitalno-analognih pretvarača (DAC). Ovi pretvarači su sastavni dio svakog digitalnog sustava:
Analogni signal - Uzorkovanje - Kvantizacija - Kodiranje - Digitalni signal
Uzorak
U analognom signalu, amplituda napona se kontinuirano mijenja s vremenom. Prilikom uzorkovanja, amplituda se očitava u pravilnim intervalima. Ova stopa uzorkovanja ili brzina uzorkovanja određuje količinu vremena ili koliko često se očitava. Ako je stopa uzorkovanja previsoka, točnost pretvorbe je veća, ali potrebna širina pojasa uvelike povećava cijenu dizajna i komponenti. Ako je brzina uzorkovanja preniska, krajnji rezultat možda neće točno odgovarati analognom signalu.
Kvantizacija
Kvantizacija je proces predstavljanja svih uzoraka u digitalnom obliku. Širina uzorka je promjena analognog signala između dva uzorka. Za prikaz numeričke vrijednosti širine uzorka obično se uzima prosječna vrijednost. Veličina uzorka određuje razinu kvantizacije koja se koristi za kvantiziranje uzorka. Korištenje 8 bita omogućuje 256 razina kvantizacije, dok 12 bita omogućuje dobivanje 4096 razina. Točnost uzorkovanja je veća ako se koristi više bitova, međutim, povećava se broj bitova za prijenos, što zahtijeva širi pojas. Iz tog razloga većina digitalnih sustava koristi 8 bita za kvantizaciju uzorka.
Kodiranje
Kodiranje je posljednji korak u procesu A/D konverzije. U procesu kodiranja, za svaki uzorak se formira vrijednost, izražena u binarnom kodu. Osim toga, kodiranje uključuje: bitove koji govore drugoj opremi kako interpretirati podatke, informacije o kraju sata, informacije o početku okvira, bitove zaštite od pogreške kako bi se smanjile pogreške u prijenosu i pohranjivanju.
Zaštita od greške
Zaštita od pogreške osigurava se dodavanjem dodatnih bitova tijekom kodiranja. Na strani primatelja prepoznaje se - ako se ovaj bit promijenio, onda sustav razumije da je došlo do greške.
pogreška:
Postoji nekoliko izvora ADC greške. Pogreške kvantizacije i (pod pretpostavkom da ADC mora biti linearan) nelinearnosti svojstvene su svakoj analogno-digitalnoj pretvorbi. Osim toga, postoje takozvane pogreške otvora blende, koje su rezultat jittera (engleskog jittera) generatora takta, pojavljuju se pri pretvaranju signala u cjelini (a ne samo jednog uzorka).
Te se pogreške mjere u jedinicama koje se nazivaju LSB – najmanji značajni bit. U gornjem primjeru 8-bitnog ADC-a, pogreška u 1 LSB je 1/256 punog raspona signala, tj. 0,4%.

Pri korištenju računala za obradu informacija s raznih uređaja (objekata, procesa), u kojima se informacija predstavlja kontinuiranim (analognim) signalima, potrebno je analogni signal pretvoriti u digitalni - u broj proporcionalan amplitudi ovog signala, i obrnuto. Općenito, postupak analogno-digitalne konverzije sastoji se od tri faze:

diskretizacija;

kvantizacija po razini;

kodiranje.

Pod, ispod diskretizacija razumjeti transformaciju funkcije kontinuiranog vremena u funkciju diskretnog vremena, a sam proces diskretizacije sastoji se u zamjeni kontinuirane funkcije njezinim pojedinačnim vrijednostima u fiksnim vremenskim točkama.

Diskretizacija može biti ujednačena i neujednačena. Kod neujednačenog uzorkovanja, trajanje intervala između uzoraka je različito. Najčešće se koristi jednolično uzorkovanje, u kojem je trajanje intervala između uzoraka T D, je konstantna. Razdoblje uzorkovanja T D kontinuirani signal u(t)(Slika 1 a) odabire se u skladu s Kotelnikovim teoremom:

gdje F u- najviša frekvencija u frekvencijskom spektru signala u(t)(slika 1 b)

Riža. 1.A/D proces pretvorbe

Pod, ispod kvantizacija razumjeti transformaciju neke veličine s kontinuiranom ljestvicom vrijednosti u veličinu s diskretnom ljestvicom vrijednosti.

Za to, cijeli raspon vrijednosti signala u(t), tzv. skala je podijeljena na jednake dijelove - kvante, h- korak kvantizacije. Proces kvantizacije svodi se na zamjenu bilo koje trenutne vrijednosti jednom od konačnog skupa dopuštenih vrijednosti, tzv. razine kvantizacije.

Vrsta signala u(t) kao rezultat zajedničkog uzorkovanja i operacija kvantizacije prikazan je na sl. 1 c). Diskretizirana vrijednost signala u(t), koji se nalazi između dvije razine kvantizacije identificira se s najbližom razinom kvantizacije. To dovodi do pogrešaka kvantizacije, koje su uvijek manje od koraka kvantizacije (kvantnosti), tj. što je korak kvantizacije manji, manja je pogreška kvantizacije, ali su razine kvantizacije veće.

Broj razina kvantizacije na sl. 1 c) jednako je osam. Obično ih je mnogo više. Možete numerirati razine i izraziti ih u binarnom brojevnom sustavu. Za osam razina dovoljna su tri bita. Svaka diskretna vrijednost signala je u ovom slučaju predstavljena binarnim kodom (tablica 1) kao slijed signala dvije razine.

Tablica 6.1

Prisutnost ili odsutnost pulsa na određenom mjestu tumači se jedinicom ili nulom u odgovarajućem bitu binarnog broja. Digitalni prikaz signala u(t) prikazano na sl. 1 g). Impulsi najznačajnijih bitova nalaze se krajnje desno.

Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, kao rezultat uzorkovanja, kvantizacije i kodiranja analognog signala, dobivamo slijed n-bitne kodne riječi koje slijede s razdobljem uzorkovanja T l. Istodobno, racionalna provedba operacija diskretizacije i kvantizacije dovodi do značajnog ekonomskog učinka, kako smanjenjem troškova pohrane i obrade primljenih informacija, tako i smanjenjem vremena obrade informacija.

U praksi se pretvaranje analognog signala u digitalni oblik provodi pomoću analogno-digitalnog pretvarača (ADC). Za rješavanje inverznog problema pretvaranja broja u proporcionalnu analognu vrijednost, predstavljenu kao električni napon, struja itd., koristi se digitalno-analogni pretvarač (DAC). U DAC-u se svaka binarna kodna riječ pretvara u analogni signal, a izlaz stvara niz amplitudno moduliranih impulsa s periodom T l.