Логическое кодирование - это предварительное изменение передаваемой информации с целью сделать ее более удобной для передачи. Например, путем логического кодирования избавляются от длинных последовательностей нулей и единиц.
Избыточное кодирование – вариант логического кодирования, при котором к основной информации добавляется дополнительная. При этом передаваемая последовательность бит разбивается на порции, называемые символами, и каждый символ заменяется на новый, имеющий большее количество бит, чем исходный. Например, логический код 4В/5В заменяет исходные символы длиной 4 бита на символы длиной 5 бит. При этом возникает 16 «запрещенных» символов, прием которых свидетельствует об ошибке связи и появляется возможность исправления ошибок передачи.
Методы синхронизации. Применение самосинхронизирующихся кодов обеспечивает побитовую синхронизацию, но для обнаружения начала и окончания потока бит и его разделения на байты (побайтовая синхронизация) необходимы специальные методы.
В асинхронных протоколах для низкоскоростного взаимодействия с периферийными устройствами каждый байт (или группа бит фиксированной длины) предваряются специальным набором старт-бит и завершаются стоп-битами.
В синхронных протоколах данные передаются большими блоками произвольной длины (кадрами). Кадр предваряется преамбулой - фиксированной последовательностью бит. После преамбулы начало и конец кадра обозначаются стартовыми и стоповыми ограничителями (флагами). Для того чтобы при возникновении внутри поля данных последовательности бит, совпадающей со стоповым ограничителем, не нарушался порядок приема кадра, существуют специальные методы, например, передача в заголовке кадра (имеющего фиксированную длину) сведений о длине поля данных.
Методы обнаружения искажений информации основаны на передаче в составе кадра избыточной информации, по которой можно судить о достоверности принятых данных. Эту служебную информацию называют последовательностью контроля кадра – Frame Check Sequence (FCS). Она вычисляется как функция от основной информации. Принимающая сторона заново вычисляет эту функцию, и совпадение результатов считается критерием правильности приема.
Метод контроля по паритету заключается в том, что к блоку информации добавляется один бит – 1, если число единиц в блоке нечетное, и 0, если четное. Он позволяет обнаруживать только нечетное число ошибок при передаче.
В методе циклического избыточного контроля (CRC) в качестве контрольной информации используется остаток от деления двоичного числа, которое представляют собой исходные данные, на известный делитель. Как правило, делитель выбирается таким, чтобы остаток составлял 2 или 4 байта. При приеме остаток прибавляется к принятым данным и полученное число делится на тот же делитель. Равенство итогового остатка нулю свидетельствует о правильности приема.
Восстановление потерянных кадров проводится путем их повторной передачи. При передаче с установлением логического соединения каждый блок данных нумеруется и для подтверждения его получения приемник посылает передатчику специальный блок данных - положительную или отрицательную квитанцию. Если передатчик не получил квитанции или получил отрицательную квитанцию, он проводит повторную передачу.
Импульсно – кодовая передача данных выполняется напрямую без модуляции, в первичной полосе частот, путем изменения уровней сигналов, несущих информацию, с определенной тактовой частотой. Например, если в ЭВМ цифровые данные представляются сигналами уровней 5 вольт - для кода «1» и 0,2 вольта - для кода «0», то при передаче этих данных в линию связи уровни сигналов преобразуются соответственно, например, в +12 и в -12 вольт на одном тактовом интервале. Такое кодирование осуществляется, в частности, с помощью асинхронных последовательных адаптеров RS-232-C при передаче цифровых данных от одного компьютера к другому на небольшие расстояния. Импульсно-кодовая передача является узкополосной, тактовая частота является, по существу, несущей частотой передачи.
14.3. импульсно – модулированные сигналы.
В импульсной модуляции в качестве носителя модулированных сигналов используются последовательности импульсов, как правило – прямоугольных. В беспроводных системах передачи данных (в радиосвязи) эти последовательности заполняются высокочастотными колебаниями, создавая тем самым двойную модуляцию. Как правило, эти виды модуляции применяются при передаче дискретизированных данных. Для прямоугольных импульсов наиболее широко используются амплитудно-импульсная (АИМ) и широтно-импульсная (ШИМ) модуляция.
Амплитудно-импульсная модуляция (АИМ) заключается в изменении приращения амплитуды импульсов пропорционально функции управляющего сигнала при постоянной длительности импульсов и периоде их следования:
U(t) = Uo + k·s(t), tи = const, T = const. (14.3.1)
Спектр АИМ рассмотрим на примере модулирования однотонального сигнала s(t), приведенного на рис. 14.3.1. Напишем уравнение модулированного сигнала в следующей форме:
u(t) = (1+M cos Wt)·f(t), (14.3.2)
где f(t) – периодическая последовательность прямоугольных импульсов с частотой wo, которую можно аппроксимировать рядом Фурье (без учета фазы):
f(t) = Uo +Un cos nwot. (14.3.3)
Подставляя (14.3.3) в (14.3.2), получаем:
u(t) = (1+M cos Wt)Uo+Un cos nwot ·(1+M cos Wt)
u(t) = Uo + UoM cos Wt +Un cos nwot +
+ 0.5MUn cos (nwo+W)t + 0.5MUn cos (nwo-W)t. (14.3.2)
Рис. 14.3.1.
Форма спектра, в начальной части спектрального диапазона, приведена на рис. 14.3.1. В целом, спектр бесконечен, что определяется бесконечностью спектра прямоугольных импульсов. Около каждой гармоники nwo спектра прямоугольных импульсов появляются боковые составляющие nwo±W, соответствующие спектру моделирующей функции (при многотональном сигнале – боковые полосы спектров). При дополнительном высокочастотном заполнении импульсов весь спектр смещается в область высоких частот на частоту заполнения.
Широтно-импульсная модуляция (ШИМ, в английской терминологии pulse width modulation, PWM), которую иногда называют модуляцией по длительности импульсов (ДИМ), заключается в управлении длительностью импульсов пропорционально функции управляющего сигнала при постоянной амплитуде импульсов и периоде следования по фронту импульсов:
t(t) = to + k·s(t), U = const, T = const. (14.3.3)
Рассмотрим выполнение ШИМ в простейшем варианте на примере гармонического колебания, приведенного на рис. 14.3.2.
Рис. 14.3.2. Широтно-импульсная модуляция.
Передаваемая кривая дискретизируется, при этом имеет значение, как интервал дискретизации, так и количество уровней квантования. При передаче данных прямоугольные импульсы начинаются в моменты дискретных отсчетов данных, а длительность импульсов устанавливается пропорциональной значению отсчетов, при этом максимальная длительность импульсов не должна превышать интервала дискретизации данных. Пример сформированных импульсов приведен на рис. 14.3.2 непосредственно под дискретизированной гармоникой, при этом число уровней квантования гармоники принято равным 8.
Рис. 14.3.3. Спектр ШИМ – сигнала. Рис. 14.3.4. Восстановленный сигнал.
На рис. 14.3.3 приведен спектр сформированного сигнала ШИМ. В начальной части спектра он содержит постоянную составляющую среднего уровня сигнала и пик частоты гармоники, закодированной в ШИМ – сигнале. Если выделить из спектра эти две составляющие, то восстанавливается исходный сигнал с погрешностью квантования, приведенный на рис. 14.3.4. Естественно, что при малом числе уровней квантования погрешность восстановления исходного гармонического сигнала очень велика.
Попутно заметим, что широтно-импульсная модуляция с последующим выделением постоянной составляющей может весьма эффективно использоваться (и используется) для слежения за средним уровнем сигнала и автоматического регулирования его динамического диапазона, как, например, в системах установки громкости звука и яркости цветов и изображения в целом в современных телевизионных установках.
Временная импульсная модуляция (ВИМ) представляет собой девиацию импульсов по временной оси по закону модулирующего сигнала, и по существу аналогична угловой модуляции гармонической несущей. Она также может быть фазовой (ФИМ) или частотной (ЧИМ).
Кодово-импульсная модуляция заключается в том, что в точках дискретизации модулирующего сигнала производится квантование его значений и кодирование квантованных значений, как правило, в двоичной системе исчисления. Кодированные значения затем передаются при помощи соответствующей кодовой последовательности стандартных символов.
14.4. Модуляция символьных и кодовых данных [25].
В настоящее время информация передается по каналам связи в основном в цифровой форме. Числа при передаче с периодом Т поступают от источника информации и называются символами (symbol), а частота передачи символов – символьной скоростью (symbol rate) fT=1/T. В практике передачи данных распространена двоичная (binary) последовательность символов, где числа передаются значениями 0 и 1.
Символьные последовательности являются дискретными квантованными сигналами, которые обычно передаются следующим образом. Каждому из возможных символов устанавливается определенный набор параметров несущего колебания, которые поддерживаются постоянными на интервале Т до прихода следующего символа. Это означает преобразование последовательности чисел в ступенчатый сигнал (кусочно-постоянная интерполяция) который используется в качестве модулирующего сигнала. Соответственно, параметры несущего колебания, на которые переносится ступенчатый сигнал, также меняются скачкообразно. Такой способ модуляции несущей называется манипуляцией (keying), и может выполняться с использованием всех рассмотренных методов модулирования.