Ana səhifə

Informacioni izvori i signali


Yüklə 70.04 Kb.
tarix26.06.2016
ölçüsü70.04 Kb.
6
Informacioni izvori i signali
6.1 Uvod
Prethodno poglavlje počinje sa proučavanjem komunikacije podataka, osnove za sve mreže. Uvodi se ova tema, daje se konceptualni okvir za komunikaciju podataka, identifikuju se značajni aspekti, i objašnjava kako se ti aspekti uklapaju. Takođe se daje kratak opis svakog konceptualnog dela.

U ovom poglavlju se započinje istraživanje komunikacije podataka detaljnije. Proučavaju se teme informacionih izvora i karakteristike signala koji nose informacije. Naredna poglavlja nastavljaju istraživanje komunikacije podataka objašnjavanjme dodatnih aspekata ove teme.

6.2 Informаcioni izvori
Komunikаcioni sistem prihvаtа input od jednog ili više izvorа i isporučuje informаcije od dаtog izvorа do doređene destinаcije. Zа neku mrežu, kаo što je globаlni Internet, izvor i destinаcijа informаcijа su pаr аplikаcionih progrаmа koji generišu i konzumirаju podаtke. Međutim, teorijа komunikаcije podаtаkа se koncentriše nа komunikаcione sisteme nižeg nivoа, i primenjuje se nа bilo koje izvore informаcijа. Nа primer, pored konvencionаlnih kompjuterskih periferijа kаo što su tаstаturа i miš, informаcioni izvori mogu uključivаti mikrofone, senzore, i merne uređаje, kаo što su termometri i vаge. Slično tome, destinаcije uključuju аudio izlаzne uređаje kаo što su zvučnici i slušаlice kаo i uređаje kаo što su LED diode koje emituju svetlost. Suštinа je:
Tokom istrаživаnjа komunikаcije podаtаkа, znаčаjno je zаpаmtiti dа izvor informаcijа može biti bilo koji i uključuje uređаje osim kompjuterа.
6.3 Anаlogni i digitаlni signаli
Komunikаcijа podаtаkа uprаvljа sа dvа tipа informаcijа: аnаlogni i digitаlni. Anаlogni signаl kаrаkteriše kontinuelnа mаtemаtičkа funkcijа - kаdа se input menjа od jedne vrednosti do druge, to čini pomerаnjem kroz sve moguće intermedijаrne vrednosti. Nаsuprot tome, digitаlni signаl imа fiksаn set vаlidnih nivoа, а svаkа promenа se sаstoji od momentаlnog pomerаnjа od jednog vаlidnog nivoа do drugog. Slikа 6.1 ilustruje ovаj koncept prikаzom primerа kаko signаli iz аnаlognog izvorа i digitаlnog izvorа vаrirаju tokom vremenа. Nа ovoj slici, аnаlogni signаl može rezultovаti аko se meri izlаz iz mikrofonа, а digitаlni signаl može rezultovаti аko se meri izlаz iz kompjuterske tаstаture.

Slikа 6.1 Ilustrаcijа (а) аnаlognog signаlа, i (b) digitаlnog signаlа


6.4 Periodični i аperiodčni signаli
Signаli se u širem smislu klаsifikuju kаo periodični i аperiodični (ponekd se koristi nаziv neperiodični), u zаvisnosti od togа dа li se ponаvljаju. Nа primer, аnаlogni signаl nа slici 6.1(а) je аperiodičаn tokom prikаzаnog vremenskog intervаlа jer se signаl ne ponаvljа, slikа 6.2 ilustruje signаl koji je periodičаn (tj, ponаvljа se).

Slikа 6.2 Periodičаn signаl se ponаvljа


6.5 Sinusni talasi i karakteristike signala
Videćemo da veći deo analize komunikacije podataka uključuje upotrebu sinusoidnih trigonometrijskih funkcija, posebno sinusa, što se obično skraćuje na sin. Sinusni talasi su posebno značajni kod izvora informacija jer prirodni fenomeni proizvode sinusne talase. Na primer, kada mikrofon primi neki ton, autput je sinusni talas. Slično tome, elektromagnetna radijacija se može predstaviti kao sinusni talas. Ovde smo posebno zaniteresovani za sinusne talase koji odgovaraju signalu koji oscilira u vremenu, kao što je talas koji je ilustrovan na slici 6.2. Zaključak je:
Sinusni talasi su fundamentalni za obradu inputa jer mnogi prirodni fenomeni proizvode signal koji odgovara sinusnom talasu kao funkcija vremena.
Postoje četiri značajne karakteristike signala koji se odnose na sinusne talase:


  • Frekvencija: broj oscilacija u jedinici vremena (obično sekunde)

  • Amplituda: razlika između maksimalne i minimalne visine talasa

  • Faza: dokle se start sinusnog talasa pomera od referentnog vremena

  • Talasna dužina: dužina ciklusa dok se signal širi kroz medij

Talasna dužina se određuje brzinom kojom se signal širi (tj., funkacija je osnovnog medija). Ostale tri karakteristike se mogu izraziti matematički. Amplituda je najjednostavnija za razumevanje. Setimo se da sint) proizvodi vrednosti između -1 do +1, i ima aplitudu 1. Tako, ako se vrednost pomnoži sa A, amplituda rezultujućeg talasa je A. Matematički, faza je dodatak koji se dodaje na t i koji pomera sinusni talas na desno ili levo duž x-ose. Tako, sint + ϕ) ima fazu ϕ. Frekvencija signala se meri brojem ciklusa sinusnog talasa u sekundi, Hertz. Kompletan sinusni talas zahteva 2π radijana. Tako, ako je t vreme u sekundama, a ω = 2π, sint) ima frekvenciju od 1 Hertz. Slika 6.3 ilustruje ove tri matematičke karakteristike.


Slika 6.3 Ilustracija frekvencije, aplitude i faze


Frekvencija se može izračunati kao inverzija vremena potrebnog za jedan ciklus, što je poznato kao period. Primer sinusnog talasa na slici 6.3a ima period T = 1 sekundi, i frekvenciju od 1/T ili 1 Hertz. Primer na slici 6.3b ima period od T = 0,5 sekundi, pa je njegova frekvencija 2 Hertz; gde se obe smatraju veoma niskom frekvencijom. Tipični komunikacioni sistemi koriste visoke frekvencije koje se često mere milionima ciklusa u sekundi. Da bi se razjasnile visoke frekvencije, inženjeri izražavaju vreme u delovima sekunde ili izražavaju frekvenciju jedinicama kao što je megahertz. Slika 6.4 prikazuje vremenske skale i opšte prefikse koji s ekoriste sa frekvencijom.


Jedinica vremena

Vrednost

Jedinica frekvencije

Vrednost

Sekunde (s)

100 sekundi

Hertz (Hz)

100 Hz

Milisekunde (ms)

10-3 sekundi

Kilohertz (KHz)

103 Hz

Mikrosekunde (µs)

10-6 sekundi

Megahertz (MHz)

106 Hz

Nanosekunde (ns)

10-9 sekundi

Gigahertz (GHz)

109 Hz

Pikosekunde (ps)

10-12 sekundi

Terahertz (THz)

1012 Hz

Slika 6.4 Prefiksi i abrevijacije za jedinice vremena i frekvencije
6.6 Kompozitni signali
Signali kao što su oni koji su ilustrovani na slici 6.3 se klasifikuju kao jednostavni jer se sastoje od jednog sinusnog talasa koji se ne može rastavljati. U praksi, većina signala se klasifikuje kao kompozitni jer se signal može rastavljati na set jednostavnih sinusnih talasa. Na primer, slika 6.5 ilustruje ilustruje kompozitni signal koji se formira dodavanjem dva jednostavna sinusna talasa.

Slika 6.5 Ilustracija kompozitnog signala koji je formiran od dva jednostavna signala


6.7 Značaj kompozitnih signala i sinusne funkcije
Zašto komunikacija podataka izgleda neodvojiva od sinusnih funkcija i kompozitnih signala? Kada govorimo o modulaciji i demodulaciji, uviđamo jedan od primarnih razloga: signali koji su rezultat modulacije su obično kompozitni signali. Za sada, samo je bitno shvatiti motivaciju:


  • Modulacija obično formira kompozitan signal

  • Matematičar Fourier je otkrio da je moguće rastaviti kompozitni signal na njegove sastavne delove, set sinusnih funkcija, svaka sa frekvencijom, amplitudom, i fazom

Fourierove analize pokazuju da ako je kompozitni signal periodičan, sastavni delovi će takođe biti periodični. Tako, videćemo da većina sistema za komunikaciju podataka koristi kompozitne signale za prenos informacija: kompozitni signal se kreira na strani pošiljaoca, a primalac rastavlja signal na originalne jednostavne komponente. Zaključak je:


Matematička metoda koju je otkrio Fourier omogućava primaocu da rastavi kompozitni signal na sastavne delove.
6.8 Predstavljanje domena vremena i frekvencije
Zbog toga što su fundamentalni, kompozitni signali su intenzivno proučavani i pronađeno je nekoliko metoda za njhovo predstavljanje. Već smo videli jedno predstavljanje na ranijim slikama: grafik signala kao funkcije vremena. Inženjeri kažu da ovakav grafik predstavlja signal u domenu vremena (time domain).

Glavna alternativa predstavljanju domenom vremena je poznata kao predstavljanje domenom frekvencije (frequency domain). Grafik domena frekvencije pokazuje set jednotavnih sinusnih talasa koji sačinjavaju kompozitnu funkciju. Y-osa daje aplitudu, a x-osa daje frekvenciju. Tako se funkcija Asin(2πt) predstavlja sa jednom linijom visine A koja je pozicionirana na x=t. Na primer, grafik domena frekvencije na slici 6.6 predstavlja kompozit sa slike 6.5c (dijagrami domena frekvencije koji se koriste u stvarnim sistemima komunikacije podataka imaju x-osu koja ide do hiljada miliona Herca).


Slika 6.6 Predstavljanje sin(2πt) i 0,5sin(2π2t) u domenu frekvencije


Ova slika pokazuje set jednostavnih periodičnih signala. Predstavljanje domenom frekvencije se takođe može koristiti sa neperiodičnim signalima, ali aperiodično predstavljanje nije značajno za razumevanje teme.

Jedna od prednosti predstavljanja domenom frekvencije je kompaktnost. U poređenju sa predstavljanjem domenom vremena, ovo predstavljanje je i malo i lako za čitanje jer svaki sinusni talas zauzima jednu tačku na x-osi. Ova prednost postaje jasna kada kompozitni signal sadrži mnogo jednostavnih signala.


6.9 Opseg analognog signala
Skoro svi su čuli za „opseg mreže“, i razumeju da je bolja mreža sa većim opsegom. Kasnije ćemo govoriti o definiciji opsega mreže. Za sada, istražićemo blizak koncept, analogni opseg.

Opseg analognog signala definišemo kao razliku između najviših i najnižih frekvencija sastavnih delova (tj., najviše i najniže frekvencije postignute Fourier analizom). U najjednostavnijem primeru sa slike 6.5c, Fourier analiza proizvodi signale od 1 i 2 Herca, što znači da je opseg razlika, ili 1 Herc. Prednost grafika domena frekvencije postaje jasna kada s eobračunava opseg jer su najviše i najniže frekvencije očigledne. Na primer, grafik na slici 6.6 jasno pokazuje da je opseg 1.

Slika 6.7 pokazuje grafik domena frekvencije sa frekvencijama merenim Kilohertz-ima (KHz). Ovakve frekvencije su u opsegu koje ljudsko uvo čuje. Na ovoj slici, opseg je razlika između najviše i najniže frekvencije (5KHz - 1KHz = 4KHz).

Slika 6.7 Grafik domena frekvencije analognog signala sa opsegom od 4KHz


Zaključak je:
Opseg analognog signala je razlika između najviše i najniže frekvencije njegovih komponenti. Ako se signal prikaže u domenu frekvencije, opseg je veoma jednostavno obračunati.
6.10 Digitalni signali i nivoi signala
Pored toga što se mogu predstaviti analognim signalom, informacije se takođe mogu predstaviti digitalnim signalom. Definisali smo da je signal digitalan ako je izabran fiksan set validnih nivoa i da je u bilo kom vremenu taj signal na jednom od validnih nivoa. Neki sistemi koriste napon za predstavljanje digitalnih vrednosti tako što pozitivan napon predstavlja logičkom jedan, a nula napon predstavlja logičko nula. Na primer, +5 volti se može koristiti za logičko jedan, a 0 volti za logičko nula.

Ako se koriste samo dva nivoa napona, svaki nivo predstavlja jednom bitu podataka (0 ili 1). Međutim, neki fizički prenosni mehanizmi mogu podržati više od dva nivoa signala. Kada su dostupni višestruki digitalni nivoi, svaki nivo može predstavljati više bita. Na primer, uzmimo sistem koji koristi četiri nivoa napona: -5 volti, -2 volti, +2 volti, i +5 volti. Svaki nivo može predstavljati dva bita podataka kao što slika 6.8 ilustruje.


Slika 6.8 (a) Digitalni signal koji koristi dva nivoa, i (b) digitalni signal koji koristi četiri nivoa


Kao što slika pokazuje, glavna prednost upotrebe više nivoa signala je mogućnost predstavljanja više od jednog bita u jednom vremenu. Na slici 6.8b, na primer, -5 volti predstavlja dvobitnu sekvencu 00, -2 volti predstavlja 01, +2 volti predstavlja 10, a +5 volti predstavlja 11. Zbog toga što se koriste višestruki nivoi signala, svaki vremenski slot može da prenosi dva bita, što znači da predstavljanje sa četiri nivoa na slici 6.8b šalje dvostruko više bita po jedinici vremena od predstavljanja sa dva nivoa na slici 6.8a.

Odnos između broja nivoa potrebnih i broja bita koje treba slati je jednostavan. Mora postojati nivo signala za svaku moguću kombinaciju bita. Zbog toga što je moguće 2n kombinacija sa n bita, komunikacioni sistem mora koristiti 2n nivoa za predstavljanje n bita. Zaključak je:


Komunikacioni sistem koji koristi dva nivoa signala može da šalje samo jedan bit u nekom vremenu; sistem koji podržava 2n nivoa signala može da šalje n bita u nekom vremenu.
Može se učiniti da je napon proizvoljna veličina, i da se može postići proizvoljan broj nivoa deljenjem napona na proizvoljno male delove. Matematički, može se kreirati milion nivoa između 0 i 1 volti jednostavnim korištenjem 0,0000001 volti za jedan nivo, 0,0000002 za sledeći nivo, i tako dalje. Nažalost, praktični elektronski sistemi ne mogu da razlikuju signale koji imaju male razlike u vrednosti. Tako, praktični sistemi su ograničeni na nekoliko nivoa signala.
6.11 Bod i biti u sekundi
Koliko se podataka može poslati u datom vremenu? Odgovor zavisi od dva aspekta komunikacionog sistema. Kao što smo videli, brzina po kojoj se podaci mogu slati zavisi od broja nivoa signala. Drugi faktor je takođe bitan: količina vremena u kom sistem ostaje na nekom nivou pre pomeranja na sledeći. Na primer, dijagram na slici 6.8a pokazuje vreme duž x-ose, a to vreme je podeljeno na osam segmenata, gde se jedan bit šalje tokom svakog segmenta. Ako se komunikacioni sistem modifikuje da koristi pola vremena za neki bit, poslaće se dva puta više bita u isto vreme. Zaključak je:
Alternativni metod povećanja količine podataka koji se mogu preneti u datom vremenu se sastoji od smanjenja količine vremena za koje sistem napušta signal na nekom nivou.
Kao i kod nivoa signala, hardver kod praktičnih sistema predstavlja ograničenje na to koliko kratko to vreme može da bude - ako signal ne ostane na nekom nivou dovoljno dugo, hardver koji ga prima neće ga moći detektovati. Zanimljivo je da prihvaćena mera komunikacionog sistema ne određuje dužinu vremena. Umesto toga, inženjeri mere suprotno: koliko puta se signal može promeniti u sekundi, što se definiše kao bod (baud). Na primer, ako sistem zahteva da signal ostane na nekom nivou 0,001 sekundi, kažemo da sistem funkcioniše na 1000 bodova.

Ključna ideja je da i bod i broj nivoa signala kontrolišu brzinu slanja. Ako sisitem sa dva nivoa signala funkcioniše na 1000 bodova, taj sistem može da prenosi tačno 1000 bita u sekundi. Međutim, ako sistem koji funkcioniše na 1000 bodova ima četiri nivoa signala, on može da prenosi 2000 bita u sekundi (jer četiri nivoa signala mogu da predstavljaju dva bita). Jednačina 6.1 izražava odnos između boda, nivoa signala, i brzine prenosa.


bita u sekundi = bod x [ log2 (nivoi)] (6.1)
6.12 Konvertovanje digitalnog signala u analogni
Kako se digitalni signal može konvertovati u ekvivalentni analogni signal? Setimo se da prema Fourieru, proizvoljna kriva se može predstaviti kao kompozit sinusnog talasa, gde svaki sinusni talas u setu ima specifičnu amplitudu, frekvenciju i fazu. Zbog toga što se primenjuje na bilo koju krivu, Fourierova teorema se takođe primenjuje na digitalni signal. Sa inženjerske perspektive, Fourierov rezultat je nepraktičan za digitalne signale jer precizno predstavljanje digitalnog signala zahteva beskonačan set sinusnih talasa.

Inženjeri usvajaju kompromis: konverzija signala sa digitalnog na analogni je približna. Odnosno, inženjeri proizvode opremu za generisanje analognih talasa koji su približni digitalnom signalu. Aproksimacija uključuje izgradnju kompozitnog signala od samo nekoliko sinusnih talasa. Biranjem sinusnih talasa koji koji su pravi umnožak frekvencije digitalnog signala, može se koristiti samo tri. Tačni detalji prevazilaze namenu ove knjige, ali slika 6.9 ilustruje aproksimaciju prikazivanjem (a) digitalnog signala i aproksimacija sa (b) jednim sinusnim talasom, (c) kompozit originalnog sinusnog talasa plus sinusni talas 3 puta veće frekvencije, i (d) kompozit talasa u (c) plus još jedan sinusni talas sa 5 puta većom frekvencijom od originalne.


Slika 6.9 Aproksimacija digitalnog signala sa sinusnim talasima

6.13 Opseg digitalnog signala
Šta je opseg digitalnog signala? Setimo se da je opseg signala razlika između najviših i najnižig frekvencijskih talasa koji sačinjavaju signal. Tako, jedan način za obračunavanje opsega se sastoji od primene Fourier analize da se pronađu konstituentni sinusni talasi, a zatim istraže frekvencije.

Matematički, kada se primeni Fourier analiza na kvadratni talas, kao što je digitalni signal ilustrovan na slici 6.9a, analiza daje beskonačan set sinusnih talasa. Pored toga, frekvencije u setu se nastavljaju u beskonačnost. Znači, kada se predstavi grafikom u domenu frekvencije, ovaj set se nastavlja duž x-ose do beskonačnosti. Značajna posledica je:


Prema definiciji opsega, digitalni signal ima beskonačan opseg jer Fourier analiza digitalnog signala daje beskonačan set sinusnih talasa sa frekvencijama koje rastu u beskonačnost.
6.14 Sinhronizacija i dogovaranje oko signala
Naši primeri izostavljaju mnoge suptilne detalje koji su uključeni u kreiranje održivog komunikacionog sistema. Na primer, da bi se garantovalo da se primalac i pošiljalac slažu oko količine vremena dodeljenog svakom elementu signala, elektronika na oba kraja fizičkog medija mora imati kolo koje će precizno meriti vreme. Odnosno, ako jedna strana šalje signal sa 109 elemenata u sekundi, druga strana mora da prihvati tačno 109 elemenata u sekundi. Na manjim brzinama, slaganje između dve strane je jednostavno. Međutim, kreiranje elektronskih sistema koji će se slagati na većim brzinama koje se koriste u modernim mrežama je izuzetno teško.

Još značajniji problem se pojavljuje zbog načina na koji se podaci predstavljaju u signalima. Ovaj problem se odnosi na sinhronizaciju pošiljaoca i primaoca. Na primer, uzmimo da primalac ne prihvati prvi bit koji stigne, i počne da interpretira podatke počev od drugog bita. Ili uzmimo šta se dešava ako primalac očekuje podatke da stignu pri većim brzinama nego što pošiljalac emituje podatke. Slika 6.10 ilustruje kako neslaganje kod interpretacije može da dovede do grešaka. Na ovoj slici, i pošiljalac i primalac počinju i završavaju na istoj tački u signalu, ali zbog toga što primalac dodeljuje malo manje vremena po bitu, on pogrešno interpretira signal tako da izgleda da ima više bita nego što je poslano.

U praksi, greške u sinhronizaciji mogu biti teško primetne. Na primer, uzmimo da hardver primaoca ima grešku tajminga od 1 u 10-8. Ova greška može da se ne primeti čak i nakon slanja deset miliona bita u sekvenci. Ipak, zbog toga što brzi komunikacioni sistemi prenose gigabite u sekundi, ovako male greške mogu se brzo pojaviti i postati veoma značajne.

Slika 6.10 Ilustracija greške u sinhronizaciji gde primalac dozvoljava malo manje vremena po bitu od pošiljaoca


6.15 Linijsko kodiranje
Kreirano je nekoliko tehnika koje pomažu da se izbegnu greške u sinhronizaciji. Generalno, postoje dva šira pristupa. U jednom pristupu, pre nego što počne da emituje podatke, pošiljalac emituje poznat uzorak bita, tipično set promenljivih 0 i 1, koji omogućava primaocu da se sinhronizuje. U drugom pristupu, podaci se predstavljaju signalom na takav način da ne može biti zabune u vezi sa značenjem. Izraz linijsko kodiranje koristimo za opisivanje načina na koji se podaci kodiraju u signalu.

Primer linijskog kodiranja koje eliminiše dvosmislenost bi moglo biti kako se može koristiti prenosni mehanizam koji podržava tri posebna nivoa signala. Da bi se garantovala sinhronizacija, rezerviše se jedan od nivoa signala za start svakog bita. Na primer, ako ova tri moguća nivoa mogu da se predstave sa -5, 0, i +5 volti, rezervisati -5 za start svakog bita. Logičko 0 se može predstaviti sekvencom -5 0, a logičko 1 sekvencom -5 +5. Ako specifikujemo da ni jedna druga kombinacija nije validna, pojavljivanje -5 volti uvek startuje bit, a primalac može koristiti pojavljivanje -5 volti da se pravilno sinhronizuje sa pošiljaocem. Slika 6.11 ilustruje ovo predstavljanje.

Naravno, upotreba višestrukih elemenata signala za predstavljanje jednog bita znači da se manje bita može preneti po jedinici vremena. Tako, dizajneri preferiraju šeme koje prenose više bita po elementu signala, kao što je ona na slici 6.8b.

Slika 6.11 Primer dva elementa signala koji se koriste ta predstavljanje svakog bita


Slika 6.12 prikazuje imena tehnika linijskog kodiranja koji se najviše koriste, i grupiše ih u povezane kategorije. Iako detalji prevazilaze namenu ove knjige, dovoljno je znati da izbor zavisi od specifičnih potreba nekog komunikacionog sistema.


Kategorija Šema Sinhronizacija

Unipolarna

NRZ

Ne, ako se mnogo 0 i 1 ponavlja

NRZ-L

Ne, ako se mnogo 0 i 1 ponavlja

NRZ-I

Ne, ako se mnogo 0 i 1 ponavlja

Bifazna

Da

Bipolarna

AMI

Ne, ako se mnogo 0 ponavlja

Multinivoska

2B1Q

Ne, ako se mnogo duplih bita ponavlja

8B6T

Da

4D-PAM5

Da

Multilinijska

MLT-3

Ne, ako se mnogo 0 ponavlja

Slika 6.12 Imena tehnika linijskog kodiranja u opštoj upotrebi
Zaključak je:
Postoje razne tehnike linijskog kodiranja koje se razlikuju po tome kako upravljaju sinhronizacijom kao i drugim svojstvima kao što je opseg koji se upotrebljava.
6.16 Mančester kodiranje koje se koristi u kompjuterskim mrežama
Pored liste sa slike 6.12, jedan poseban standard za linijsko kodiranje je posebno značajno za kompjuterske mreže: Mančester kodiranje (Manchester Encoding) koje se koristi kod Eterneta.

Da bi se shvatilo mančester kodiranje, potrebno je znati da je detektovanje tranzicije u nivou signala lakše od merenja nivoa signala. Činjenica, koja se pojavljuje iz načina na koji hardver radi, objašnjava zašto Mančester kodiranje koristi tranzicije umesto nivoa za definisanje bita. Tačnije, umesto specifikovanja da 1 odgovara nekom nivou (npr., +5 volti), Mančester kodiranje specifikuje da 1 odgovara tranziciji od 0 volti do pozitivnog nivoa napona. Isto tako, 0 odgovara tranziciji od pozitivnog nivoa napona do nule. Pored toga, tranzicija se pojavljuje na „sredini“ vremenskog slota alociranog na bit, što omogućava da se signal vrati na prethodni nivo u slučaju da podaci sadrže dve ponavljajuće 0 ili dve ponavljajuće 1. Slika 6.13 ilustruje ovaj koncept.

Varijacija poznata kao Diferencijalno Mančester kodiranje (Differential Manchester Encoding (takođe poznato kao Conditional DePhase Encoding)) koristi relativne tranzicije umesto apsolutnih. Odnosno, predstavljanje bita zavisi od prethodnog bita. Vremenski slot svakog bita sadrži jednu ili dve tranzicije. Tranzicija se uvek pojavljuje u sredini vremena bita. Logička vrednost bita se predstavlja prisustvom ili odsustvom tranzicije na početku vremena bita: logičko 0 se predstavlja tranzicijom, a logičko 1 se predstavlja nepostojanjem tranzicije. Slika 6.13b ilustruje Diferencijalno Mančester kodiranje. Možda značajnije svojstvo diferencijalnog kodiranja predstavlja to što kodiranje radi pravilno čak i ako se dve žice koje nose signal slučajno zamene.

Slika 6.13 (a) Mančester i (b) Diferencijalno Mančester kodiranje; svaki pretpostavlja da se prethodni bit završio sa niskim nivoom signala


6.17 Konvertovanje analognog signala u digitalni
Mnogi izvori informacija su analogni, što znači da se moraju konvertovati u digitalnu formu za dalju obradu (npr., pre nego što se mogu dešifrovati). Postoje dva osnovna pristupa:


  • Pulsna kodna modulacija

  • Delta modulacija


Pulsna kodna modulacija (Pulse code modulation - PCM (akronim PCM je dvosmislen jer se može odnositi na opštu ideju ili specifičnu formu pulsne kodne modulacije koju koristi telefonski sistem; o ovome se govori kasnije)) se odnosi na tehniku gde se nivo analognog signala meri stalno pri fiksnim vremenskim intervalima i konvertuje u digitalnu formu. Slika 6.14 ilustruje ove korake.

Slika 6.14 Tri koraka koja se koriste kod pulsne modulacije koda


Svako merenje je poznato kao uzorak, što objašnjava zašto je prva faza poznata kao uzorkovanje. Nakon što se zabeleži, uzorak se kvantizuje njegovim konvertovanjem u male vrednosti koje se zatim kodiraju u specifičan format. Kvantizovana vrednost nije mera napona ili bilo kog drugog svojstva signala. Umesto toga, opseg signala od minimalnih do maksimalnih nivoa se deli na set slotova, tipično stepen 2. Slika 6.15 ilustruje ovaj koncept prikazivanjem signala koji je kvantizovan na osam slotova.

Slika 6.15 Ilustracija uzorkovanja i kvantizacije koji se koriste kod pulsne kodne modulacije

Na ovoj slici šest uzoraka je predstavljeno vertikalnim linijama. Svaki uzorak je kvantizovan biranjem najbližeg kvantum intervala. Na primer, trećem uzorku, uzet blizu najviše tačke krive, je dodeljena kvantizovana vrednost 6.

U praksi su kreirane male varijacije u uzorkovanju. Na primer, da bi se izbegla nepreciznost uzrokovana kratkim skokom ili padom u signalu, može se koristiti usrednjavanje. Odnosno, umesto oslanjanja na jednu meru za svaki uzorak, mogu se uzeti tri mere i izračunati aritmetička sredina.

Glavna alternativa pulsnoj kodnoj modulaciji je poznata kao delta modulacija. Delta modulacija takođe uzima uzorke. Međutim, umesto slanja kvantizacije za svaki uzorak, delta modulacija šalje jednu kvantizacionu vrednost koju prati niz vrednosti koje daju razliku između prethodne vrednosti i trenutne vrednosti. Ideja je da prenos razlika zahteva manje bita nego prenos punih vrednosti, posebno ako signal ne varira brzo. Glavni ustupak kod delta modulacije se pojavljuje zbog efekta greške – ako se bilo koja stavka u sekvenci izgubi ili ošteti, sve naredne vrednosti će biti pogrešno interpretirane. Tako, komunikacioni sistemi koji očekuju da se vrednosti podataka izgube ili promene tokom prenosa obično koriste pulsnu kodnu modulaciju (pulse code modulation – PCM).
6.18 Nyquist teorema i brzina uzorkovanja
Bilo da se koristi pulsna kodna modulacija ili delta modulacija, analogni signal se mora uzorkovati. Koliko često analogni signal treba uzorkovati? Uzimanje premalo uzoraka (poznato kao undersampling) znači da digitalne vrednosti daju samo grubu aproksimaciju originalnog signala. Uzimanje previše uzoraka (poznato kao oversampling) znači da će se generisati više digitalnih podataka, koji koriste više opsega.

Matematičar Nyquist je otkrio odgovor na pitanje koliko je potrebno uzorkovanja:


brzina uzorkovanja = 2 x fmax (6.2)
gde je fmax najviša frekvencija u kompozitnom signalu. Rezultat, koji je poznat kao Nyquist teorema obezbeđuje praktično rešenje za problem: uzorkovati signal najmanje dva puta brže od najviše frekvencije koja se mora očuvati.
6.19 Nyquist teorema i prenos u telefonskom sistemu
Kao poseban primer Nyquist teoreme uzmimo telefonski sistem koji je originalno dizajniran za prenos glasa. Merenja ljudskog glasa pokazuju da očuvanje frekvencija između 0 i 4000 Hz obezbeđuje prihvatljiv kvalitet zvuka. Tako Nyquist teorema specifikuje da kada se konvertuje glasovni signal iz analognog u digitalni, on treba da se uzorkuje po brzini od 8000 uzoraka u sekundi.

Da bi se dalje obezbedila razumno kvalitetna reprodukcija, PCM standard koga koristi telefonski sistem kvantifikuje svaki uzorak u vrednost od 8 bita. Odnosno, opseg inputa se deli na 256 mogućih nivoa tako da svaki uzorak ima vrednost između 0 i 255. Kao posledica, brzina po kojoj se digitalni podaci generišu za jedan telefonski poziv je:


digitalizovani glasovni poziv =  (6.3)
Kao što ćemo videti u narednim poglavljima, telefonski sistem koristi brzinu od 64000 bita u sekundi (64 Kbps) kao osnovu za digitalnu komunikaciju. Pored toga ćemo videti da Internet koristi digitalna telefonska kola za povezivanje velikih distanci.
6.20 Kodiranje i kompresija podataka
Izraz kompresija podataka koristimo za označavanje tehnike koja redukuje broj bita potrebnih za predstavljanje podataka. Kompresija podataka je posebno značajna za komunikacioni sistem jer smanjenje broja bita koji se koriste za predstavljanje podataka smanjuje vreme potrebno za prenos. Odnosno, komunikacioni sistem se može optimizovati kompresovanjem podataka pre prenosa.

U poglavlju 29 se govori o kompresiji u multimedijalnim aplikacijama. Ovde samo treba da se shvate osnovne definicije dve vrste kompresije:




  • Sa gubicima (lossy) – neke informacije se gube tokom kompresije

  • Bez gubitaka (lossless) – sve informacije se očuvaju u kompresovanoj verziji

Kompresija sa gubicima (lossy) se generalno koristi sa podacima koje ljudi upotrebljavaju, kao što su slike, segment videa, ili audio datoteka. Ključna ideja je da kompresija treba samo da očuva detalje do nivoa ljudske percepcije. Odnosno, promena je prihvatljiva ako ljudi ne mogu da uoče promenu. Videćemo da dobro poznate kompresione šeme kao što su JPEG (za slike) ili MPEG-3 (skraćeno MP3, a upotrebljava se za audio snimke) koriste kompresiju sa gubicima.

Kompresija bez gubitaka (lossless) zadržava originalne podatke bez ikakve promene. Tako se ova kompresija može koristiti za dokumente ili u bilo kojoj situaciji gde se podaci moraju precizno očuvati. Kada se koristi za komunikaciju, pošiljalac kompresuje podatke pre slanja, a primalac dekompresuje rezultat. Zbog toga što je ova kompresija bez gubitaka, bilo koji podaci se mogu kompresovati i dekompresovati da se dobije tačna kopija originala.

Većina kompresija bez gubitaka koristi pristup rečnika (dictionary). Kompresija pronalazi nizove koji se ponavljaju u podacima, i formira rečnik nizova. Da bi se kompresovali podaci, svako pojavljivanje niza se zamenjuje sa referencom iz rečnika. Pošiljalac mora emitovati rečnik zajedno sa kompresovanim podacima. Ako podaci sadrže nizove koji se ponavljaju mnogo puta, kombinacija rečnik plus kompresovani podaci je manja od originalnih podataka.


6.21 Ukratko
Informacioni izvor može da isporučuje analogne ili digitalne podatke. Analogni signal ima svojstvo periodičnosti ili aperiodičnosti; periodičan signal ima svojstva amplitude, frekvencije i faze. Fourier je otkrio da se proizvoljna kriva može formirati iz sume sinusnih talasa; jedan sinusni talas se klasifikuje kao jednostavan, a signal koji se može rastaviti na više sinusnih talasa se klasifikuje kao kompozitan.

Inženjeri koriste dva glavna predstavljanja kompozitnih signala. Predstavljanje u domenu vremena pokazuje kako signal varira tokom vremena. Predstavljanje u domenu frekvencije pokazuje amplitudu i frekvenciju svake komponente u signalu. Opseg, koji je razlika između najviših i najnižih frekvencija u signalu je posebno jasna na grafiku domena frekvencije.

Stopa boda signala je broj koliko puta se signal može promeniti u sekundi. Digitalni signal koji koristi višestruke nivoe signala može predstavljati više od jednog bita po promeni, čineći da je efektivna brzina prenosa broj nivoa puta brzina boda. Iako ima beskonačan opseg, digitalni signal se može aproksimirati sa tri sinusna talasa.

Razne tehnike linijskog kodiranja postoje. Mančester kodiranje, koje se koristi kod Eterneta, je posebno značajno. Umesto upotrebe apsolutnih nivoa signala za predstavljanje bita, Mančester kodiranje koristi tranzicije u nivou signala. Diferencijalno Mančester kodiranje koristi relativne tranzicije, i ima svojstvo da radi čak i kada se dve žice zamene.



Pulsna kodna modulacija i delta modulacija se koriste za konvertovanje analognog signala u digitalni. PCM šema koja se koristi kod telefonskog sistema upotrebljava 8-bitnu kvantizaciju i uzima 8000 uzoraka u sekundi, što rezultira brzinom od 64 Kbps.

Kompresija može biti sa gubicima i bez gubitaka. Kompresija sa gubicima je odgovarajuća za slike, audio ili video koje će koristiti ljudi jer se gubici mogu kontrolisati da se održe promene ispod praga ljudske persepcije. Kompresija bez gubitaka je odgovarajuća za dokumente ili podatke koji se moraju precizno očuvati.


Verilənlər bazası müəlliflik hüququ ilə müdafiə olunur ©atelim.com 2016
rəhbərliyinə müraciət