МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФГОУ ВПО «Балтийский федеральный университет имени

Иммануила Канта»

Математический факультет

Кафедра компьютерной безопасности и прикладной алгебры

Реферат на тему

Кодирование информации в системах связи

Студентка: Елена Киршанова

компьютерная безопасность, 5 курс

Проверил: О.В. Толстель

Калининград

2012

Основные понятия и классификация методов кодирования

Рассмотрим типичную функциональную схему и основные преобразования.

рис. 1

Схема иллюстрирует распространение сигнала и этапы его обработки в типичной цифровой системе связи. Верхние блоки - форматирование. Кодирование источника, шифрование, канальное кодирование, уплотнение, импульсная модуляция, полосовая модуляция, расширение спектра и множественный доступ — отражают преобразования сигнала на пути от источника к передатчику. Нижние блоки диаграммы — преобразование сигнала на пути от приёмника к получателю информации, и, по сути, они противоположны. Блоки модуляции и демодуляции/детектирования вместе называются модемом. В этой работе мы остановимся подробно на этапе импульсной модуляции и кодировании источников.

Модуляция — это процесс, посредством которого символы сообщений преобразуются в сигналы, совместимые с требованиями, налагаемыми каналом передачи данных. Импульсная модуляция — этап, в котором каждый передаваемый символ преобразуется из двоичного представления в видеосигнал (модулированный сигнал). Термин видеосигнал определяет сигнал, спектр которого начинается от (или около) постоянной составляющей и заканчивается некоторым конечным значением (как правило, не более нескольких мегагерц). Блок импульсной модуляции обычно включает фильтрацию с целью достижения минимальной полосы передачи. При использовании импульсной модуляции для обработки двоичных символов результирующий двоичный сигнал называется PCM-сигналом (pulse-code modulation).

Для систем передачи радиочастотного диапазона следующим важным этапом является полосовая модуляция; она необходима всегда, когда среда передачи не поддерживает распространение сигнала, имеющих форму импульсов.

Под демодуляцией подразумевается восстановление сигнала (полосового импульса), а под детектированием — принятие решения относительно цифрового значения этого сигнала.

Остальные этапы обработки сигнала в модеме являются необязательными и направлены на обеспечение системных нужд. Кодирование источника — это преобразование аналогового сигнала в цифровой (для аналоговых источников) и удаление избыточной информации. Типичная система цифровой связи может использовать либо кодирование источника, либо более простое форматирование, поскольку первое уже включает в себя необходимый этап оцифровывания информации.

Импульсно-кодовая модуляция

На рис. 2 представлена модель форматирования и передачи низкочастотных сигналов. Данные, уже имеющие цифровой формат, могут пропускать этап форматирования. Текстовая информация преобразовывается в двоичные коды с помощью кодера. Аналоговая информация форматируется с использованием трёх отдельных процессов: дискретизация, квантование и кодирование. Во всех случаях после форматирования получается последовательность двоичных цифр.

Цифры необходимо передать через низкочастотный канал (коаксиальный кабель). При этом никакой канал использовать нельзя, пока двоичные цифры не будут преобразованы в сигналы, совместимые с этим каналом. Для низкочастотных каналов такими совместимыми сигналами являются видеоимпульсы.

Мы не будем останавливаться подробно на этапе форматирования цифровых и аналоговых данных. Отметим только, что при форматировании текстовой информации в использует один из нескольких стандартов: ASCII (American Code for Information Interchange), EBCDIC (Extended Binary Coded Decimal Interchange Code), код Бодо, код Холлерита и др. При переводе аналоговой информации в цифровой вид используют дискретизацию, результатом которой является сигнал в амплитудно-импульсной модуляции (pulse-amplitude modulation — PAM). Такое название возникло потому, что выходящий сигнал можно описать как последовательность импульсов с амплитудами, определяемыми выборками входного сигнала. Аналоговый сигнал восстанавливают (с определённой степенью точности) с помощью фильтра низких частот. Сопряжение сигнала с цифровой системой осуществляется квантовыми выборками; ясность вносит рис. 3.

рис.3

Подробнее об этом можно прочесть в [1]. Перейдем к сути импульсно-кодовой модуляции.

Импульсно-кодовая модуляция (pulse-code modulation — PCM) — это низкочастотные сигналы, полученные из амплитудно-модулированных сигналов путем кодирования каждой квантованной выборки цифровым словом. Иллюстрирует импульсно-кодовую модуляцию рис. 4.

Исходная информация дискретизируется и квантуется в один из L уровней, после этого каждая квантовая выборка проходит цифровое кодирование для превращения в l-битовое (l=log[2]L) кодовое слово. Предположим, что амплитуды аналогового сигнала x(t) ограничены диапазонов от -4B до +4B. Шаг между уровнями квантования составляет 1В. Следовательно, используются 8 квантовых уровней, расположенных на -3,5, -2,5,..., +3,5В. Каждому уровню присваивается номер от 0 до 7, каждый номер имеет представление в двоичной форме: 000, … 111. Интервалы квантования удобно выбирать одинаковыми, уровни симметричны относительно нуля. На оси ординат отложены уровни квантования и их кодовые номера. Каждая выборка аппроксимируется ближайшим уровнем квантования. Отметим, что число уровней может быть равняться 8, 16, 32 или 64. Длина кодовых слов будет равна 3, 4, 5, 6 соответственно.

Процесс кодирования, следующий за квантованием, часто воплощается одним на аппаратном уровне и тем же устройством. Иначе, этот процесс может быть описан так: последовательна аппроксимация аналого-цифровых преобразователей образуется последовательные биты данных с помощью обратной связи, сравнения и процесса принятия решения. При последовательной аппроксимации результат каждого предыдущего решения снижает неопределённость, которая должна быть разрешена во время последующего преобразования. Эта редукция неопределённости достигается путем передачи каждой последующей выборке вспомогательной информации о предыдущей. Эта информация называется избыточной частью сигнала, и с помощью её передачи сокращается интервал неопределённости, в котором квантующее устройство и кодер должны вести поиск следующей выборки сигнала. Используя таким образом прошлые данные для квантования и кодирования новых переходи от обычной импульсно-кодовой модуляции к дифференциальной (differtential pulse-code modulation — DPCM). Для квантующего устройства эту дополнительную информацию можно рассматривать в качестве инструкции по руководству при поиске следующего выборочного значения в конкретном интервале.

Дельта-модуляция

Суть дельта-модуляции состоит в том, что в каждый момент отсчёта сигнал сравнивается с пилообразным напряжением на каждом шаге дискретизации. Если отсчёт сигнала превышает по амплитуде пилообразное напряжение, то последнее нарастает до следующей точки дискретизации, в противном случае оно спадает. В простейшей системе наклон пилообразного напряжения сохраняется неизменным на всём протяжении процесса. Полученный бинарный сигнал можно рассматривать как производную от пилообразного напряжения. Выбирая достаточно малым значение шага , можно получить любую заданную точность представления сигнала. Преимущество дельта-модуляции по заключается в простоте реализации.