Кодирование цифрового сигнала

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Омский государственный университет путей сообщения

(ОмГУПС (ОмИИТ))

Отчет

по производственной практике

Место прохождения производственной практики: ОмПО Иртыш

Баетов Н.Т.

2016 год



Содержание

Введение

1. Общие понятия

1.1 Кодирование сигнала

1.2 Кодовая комбинация

1.3 Виды и цели кодирования

2. Что такое информационный стык

3. Стык С1

3.1 Определение

3.2 Стык С1-И

3.3 Алгоритм реализации стыка С1-И с использованием блока захвата

3.4 Стыки С1-ФЛ

4. Манчестер

5. ГОСТ 27232-87 для стыка С1-И

Библиографический список



Введение

Одним из ведущих направлений развития человеческого общества является информатизация - всё большее внедрение компьютерных технологий в различные сферы человеческой деятельности, с целью повысить эффективность труда.

Одним из направлений этого движения является создание различных сетей передачи данных, и других систем нуждающихся в обмене данными. Такие системы осуществляют оперативную доставку и обработку информации для управления производственным комплексом удовлетворения информационных нужд. Информацию можно разделить на две группы: социальную и управляющую (производственную). К социальной относится информация, связанная с удовлетворением культурных, научных и личных нужд. Производственная информация связана с процессами управления различного уровня и технологическими процессами. Источником и потребителем этой информации является человек и, чаще, электронные управляющие машины и системы.

Информация может быть представлена в виде речи, текста, фотографий и т.д. Иначе говоря, информация может быть документальной и не документальной. Чтобы информацию можно было доставить средствами электросвязи, она должна быть представлена в виде сообщения, записанного на каком-либо носителе с использованием алфавита определенного языка. Все эти данные передаются посредством различных способов физического и логического кодирования.

В данной работе рассмотрены общие понятия кодирования цифрового сигнала, информационных стыков и некоторые алгоритмы.



1. Общие понятия

1.1 Кодирование сигнала

Кодирование сигнала - это его представление в определенной форме, удобной или пригодной для последующего использования сигнала. Говоря строже, это правило, описывающее отображение одного набора знаков в другой набор знаков. Тогда отображаемый набор знаков называется исходным алфавитом, а набор знаков, который используется для отображения, - кодовым алфавитом, или алфавитом для кодирования. При этом кодированию подлежат как отдельные символы исходного алфавита, так и их комбинации. Аналогично для построения кода используется как отдельные символы исходного алфавита, так и их комбинации. Например, дана таблица соответствия между натуральными числами трех систем счисления. Эту таблицу можно рассматривать как некоторое правило, описывающее отображение набора знаков десятичной системы счисления в двоичную и шестнадцатеричную. Тогда исходный алфавит - десятичные цифры от 0 до 9, а кодовые алфавиты - это 0 и 1 для двоичной системы; цифры от 0 до 9 и символы A,B,C,D,E,F - для шестнадцатеричной.

Рисунок 1 - Таблица систем счисления



1.2 Кодовая комбинация

Кодовой комбинацией называется совокупность символов кодового алфавита, применяемых для кодирования одного символа исходного алфавита. При этом кодовая комбинация может содержать один символ кодового алфавита. Исходным символом называется символ исходного алфавита, которому соответствует кодовая комбинация. Например, поскольку 8=10002 и 8 является исходным символом, 1000 - это кодовая комбинация, или код, для числа 8. В то же время 8 - это исходный символ. Совокупность кодовых комбинаций называется кодом. Взаимосвязь символов (или комбинаций символов, если кодируется не отдельные символы) исходного алфавита с их кодовыми комбинациями составляет таблицу соответствия (или таблицу кодов).

Рисунок 2 - Код и его реализация в сигнале

Следует отметить, что понятие «код» омонимично: оно может употребляться и в смысле кодовой комбинации, и в приведенном выше смысле. Аналогично, понятие «кодовая комбинация» синонимично понятию «код».

Обратная процедура получения исходных символов по кодам символов называется декодированием. Очевидно, для выполнения правильного декодирования код должен быть однозначным, т.е. одному исходному символу должен соответствовать точно один код и наоборот.



1.3 Виды и цели кодирования

В зависимости от целей кодирования, различают следующие его виды:

- кодирование по образцу - используется всякий раз при вводе информации в компьютер для ее внутреннего представления;

- криптографическое кодирование, или шифрование - используется, когда нужно защитить информацию от несанкционированного доступа;

- эффективное, или оптимальное в кодирование - используется для устранения избыточности информации, т.е. снижение ее объема, например, в архиваторах;

- помехоустойчивое кодирование - используется для обеспечения заданной достоверности в случае, когда на сигнал накладывается помеха, например, при передаче информации по каналам связи.

Рисунок 3 - Цели кодирования



2. Что такое информационный стык

Стык - понятие, которое используется для описания совокупности схемотехнических средств и функций, обеспечивающих непосредственное взаимодействие составных элементов обработки данных (СОД), сетей, систем передачи данных (СПД), подсистем периферийного оборудования.

Согласно ГОСТ-23633-79, стык - это место соединения устройств передачи данных, входящих в системы передачи данных.

Основное назначение стыков это унификация внутренних, межсетевых и межсистемных связей с целью эффективной реализации методов проектирования функциональных элементов вычислительных систем, СОД и сетей.

Основная функция стыков - обеспечения информационной, электрической и конструктивной совместимости между ФЭ систем и сетей.

Рисунок 4 - Пример конвертора для информационного стыка



3. Стык С1

3.1 Определение

кодирование цифровой сигнал

Стык С1 применяется в устройствах передачи сигнала при работе по физическим линиям и выполняют следующие функции:

- устанавливает параметры сопряжения с физическими линиями (ФЛ);

- обеспечивает гальваническую развязку цепей;

- обеспечивает преобразование уровней сигнала.

Классификация стыков определяется типом линий и применяемым кодом. Физические линии могут быть четырехпроводными и двухпроводными, симметричными и несимметричными, коммутируемыми и некоммутируемыми, гальванически связанными и гальванически развязанными с устройствами приема и передачи.

3.2 Стык С1-И

На стыке С1-И символу «1» входной информационной последовательности соответствует биимпульс 10 или 01, совпадающий с предыдущим, а символу «О» - биимпульс 10 или 01, инверсный по отношению к предыдущему биимпульсу. Другими словами, данный код является относительно, подобно тому, который используется при модуляции методом ОФМ.

Рисунок 5 - Пример стыка

Относительное кодирование позволяет решить проблему неопределенности фазы биимпульса на приемной стороне. В результате этого стык С1-И не боится ошибок типа «зеркальный прием» или «обратная работа» (инверсия знаков) и переполюсовки контактов физической линии для используемых разъемов.

Рисунок 6 - Принципиальная схема декодера стыка С1-И

3.3 Алгоритм реализации стыка С1-И с использованием блока захвата

Реализация данного алгоритма осуществляется по средствам измерения длительности импульсов обрабатываемого сигнала. При использовании микроконтроллерных средств, наименее ресурсоемким способом является использование блока захвата, который запоминает состояние счетчика при возникновении внешнего события, тем самым определяя время его возникновения. В качестве события выступает внешний сигнал.

Алгоритм строится на разбиение входного сигнала на два типа импульсов: длинные и короткие. Выбор типа осуществляется путем сравнения обрабатываемого импульса с рассчитанным для данной скорости эталоном (отношение частоты кварцевого генератора к скорости принимаемого сигнала) длинного и короткого импульса. Под длинным понимается два импульса равной длительности, под коротким - один.

Основной проблемой данного способа является отсутствие равных по длительности однотипных импульсов. Данная проблема объясняется не идеальностью временных характеристик входного сигнала и нестабильностью кварцевого генератора микроконтроллера, следствием этого является невозможность прямого сравнения с эталоном. Решение данной проблемы состоит во введении дополнительной переменной, зависящей от скорости принимаемого сигнала, которая учитывает вероятность неточного подсчета количества тактов в течение импульса.

3.4 Стыки С1-ФЛ

Передача данных в цепях стыка С1-ФЛ осуществляется импульсными сигналами со скоростями до 480000 бит/с. Номенклатура цепей стыка С1-ФЛ и требования к ним те же, что и в стыках С1-ТФ и С1-ТЧ. Во всех трех типах стыка С1-ФЛ отношение амплитуды импульса положительной полярности (+U) к амплитуде импульса отрицательной полярности (-U) должно быть в пределах 0,95-1,05.

Параметры стыков С1-ФЛ представлены в таблице 1.

Основные параметры стыков

Параметр	Размерность	Значения для стыков
		С1-ФЛ-НУ	С1-ФЛ-БИ	С1-ФЛ-КИ
Тип соединительной линии		2- и 4- проводная	4- проводная	4- проводная
Режим обмена		Асинхронный, синхронный	Синхронный	Синхронный
Скорость передачи	Кбит/с	До 20	12-48	48-480
Номинальное сопротивление УПС: - входное; - выходное.	Ом	50-300 150	150+30 150+30	120+24 120+24
Амплитудное значение линейного сигнала: - на передаче; - на приеме.	В	1 >=0,02	1 >=0,05	1 (для скоростей до 72 кбит/с) 2 (для скоростей 72-144 кбит/с) 3 (для скоростей от 192 кбит/с)
Максимальный выброс на вершине относительно номинала амплитуды импульса	%	10	10	10

Рисунок 7 - Стык С1-ФЛ-БИ

Рисунок 8 - Другие разновидности стыков С1-ФЛ

Для стыка С1-ФЛ-НУ используются разнополярные цифровые сигналы низкого уровня (НУ) без возвращения к нулю (NRZ).

Рисунок 9 - Преобразования кода NRZ в код стыка С1-И

Этот метод прост в реализации, обладает сравнительно высокой помехоустойчивостью (из-за двух резко отличающихся потенциалов), но не обладает свойством самосинхронизации. При передаче длинной последовательности единиц и нулей сигнал на линии не изменяется, поэтому приемник не может определять по входному сигналу моменты времени, когда нужно в очередной раз считывать данные. Даже при наличии высокостабильного такового генератора приемник может ошибиться с моментом съема данных, так как частоты двух генераторов никогда не бывают полностью идентичными. Поэтому при высоких скоростях обмена данными и длинных последовательностях единиц и нулей небольшое рассогласование тактовых частот может привести к ошибке в целый такт и, соответственно, считыванию некорректного значения бита.

Другим серьезным недостатком метода NRZ является наличие низкочастотной составляющей, которая приближается к нулю при передаче данных последовательностей чередующихся единиц или нулей. Из-за этого многие каналы связи, не обеспечивающие прямого гальванического соединения между приемником и источником, этот вид кодирования не поддерживают. В результате в чистом виде этот код в сетях не используется. Тем не менее, используются его различные модификации, которые устраняют указанные выше недостатки. Привлекательность кода состоит в достаточно низкой частоте основной гармоники, которая равна n/2 Гц (где n - это битовая скорость передачи данных).

Для стыка С1-ФЛ-КИ используется квазитроичный импульсный код с чередованием полярности импульсов - ЧПИ. В этом методе используются три уровня потенциала - отрицательный, нулевой и положительный. Для кодирования логического нуля используется нулевой потенциал, а логическая единица кодируется положительным или отрицательным потенциалом, при этом потенциал каждой новой единицы противоположен потенциалу предыдущей.

Код AMI частично ликвидирует проблемы наличия постоянной составляющей и отсутствия самосинхронизации, присущие коду NRZ. Это происходит при передаче длинных серий «единиц». В этих случаях сигнал на линии представляет собой серию чередующихся разнополярных импульсов с тем же спектром, что и у кода NRZ, передающего чередующиеся нули и единицы, то есть без постоянной составляющей и основной гармоникой N/2. Длинные же серии «нулей» также опасны для кода AMI.

В целом код AMI приводит к более узкому спектру сигнала, чем для кода NRZ, а значит, и к более высокой пропускной способности линии. Например, при передаче чередующихся единиц и нулей основная гармоника имеет частоту N/4 Гц. Код AMI предоставляет также некоторые возможности по распознаванию ошибочных сигналов. Так, нарушение строгого чередования полярности сигналов говорит о ложном импульсе или исчезновении с линии корректного импульса. Сигнал с некорректной полярностью называется запрещенным сигналом.

Нередко применяется модифицированный код, у которого каждая серия из 4-х нулей преобразуется в ненулевую комбинацию по определенному правилу, что обеспечивает повышение устойчивости работы системы тактовой синхронизации.

Стык С1-ФЛ-БИ использует биимпульсные коды. При биимпульсном кодировании каждый такт делится на две части. Информация кодируется перепадами потенциала, происходящими в середине каждого такта. Так как сигнал изменяется, по крайней мере, один раз за такт передачи одного бита данных, то биимпульсный код обладает хорошими самосинхронизирующими свойствами. В простом биимпульсном коде «1» кодируется перепадом от низкого уровня сигнала к высокому, а «0» - обратным перепадом.



4. Манчестер

Наиболее распространенным биимпульсным кодом является манчестерский код, который является одним из наиболее распространенных типов физического кодирования информации для передачи на средние и большие дистанции

В Манчестерском коде для кодирования единиц и нулей используется перепад сигнала, то есть фронт импульса. А именно, «1» исходного цифрового сигнала передается нулевым импульсном в первом полутактовом интервале и единичным во втором. Для символа «О» принимается обратный порядок чередования импульсов (биимпульс 10).

Каждый такт делится на две части. Так как сигнал изменяется по большей мере один раз за такт передачи одного бита данных, то манчестерский код обладает хорошими самосинхронизирующими свойствами. У него нет постоянной составляющей, а основная гармоника в худшем случае (при передаче последовательностей нулей и единиц) имеет частоту N Гц, а в лучшем (при передаче чередующихся единиц и нулей) - N/2 Гц. Поскольку отсутствие высокого или низкого уровня в течение всего интервала бита недопустимо, появление таких ситуаций может свидетельствовать об ошибке.

Эти свойства и наличие самосинхронизации, исключающей возникновение фазовых сдвигов между информационными и синхронизирующими последовательностями, определили использование кода «Манчестер-2» как основного для каналов последовательной передачи в протоколе Ethernet, бортовых САУ и целом ряде коммерческих систем.

Рисунок 10 - Представление сигнала в коде Манчестер-2

5. ГОСТ 27232-87 для стыка С1-И

Настоящий стандарт устанавливает параметры сопряжения устройств передачи сигналов с физическими линиями с проводными и четырех проводными окончаниями на стыке С1-ФЛ при двухстороннем одновременном или двустороннем поочередном способе организации передачи данных со скоростью до 480000 бит/с.

Рисунок 11 - Организация стыков

Стык С1-ФЛ включает в себя цепи:

- передаваемых данных;

- принимаемых данных.

Передаваемо-принимаемых данных (в случаи использования двухпроводной соединительной линии)

Линейные цепи передачи и приема на стыке С1-ФЛ должны быть симметричны по отношению к цепям заземления и гальванически изолированы остальных цепей УПС (в случаи использования четырех проводной линии).

Затухание ассиметрии линейных цепей передачи и приема в точках подключения к линии должно быть не менее 43 дБ на частоте равной максимальной скорости работы УПС.

Короткое замыкание между цепями стыка С1-ФЛ и цепью заземления не должно вызывать повреждения УПС.

Обмен сигналами данных на стыке С1-ФЛ при асинхронной передаче должен производиться двухполярными посылками постоянного тока и первичном коде (сигналами низкого уровня) на скоростях до 19200 бит/с.

Временная диаграмма сигнала данных и соответствующего сигнала низкого уровня приведена на рисунке 12.

Рисунок 12 - Временная диаграмма сигнала низкого уровня

Обмен сигналами данных на стыке при синхронной передаче должен производиться двухполярными посылками с избыточным перекодированием в биимпульсным сигнал в диапазоне скоростей от 1200 до 144000 бит/с, при скоростях передачи информации свыше 144000 бит/с - трехуровневыми посылками с избыточным перекодированием в квазитроичный сигнал с укороченными по длительности посылками (T/2).

Алгоритм преобразования сигнала данных в квазитроичный сигнал должен происходить последующим правилам: при каждой последующей передачи символа «1» меняется полярность импульса преобразованного сигнала на противоположную по сравнению с предыдущим импульсом. Символ «0» передается пробелом в преобразованном сигнале.

Временная диаграмма сигнала данных и соответствующего квазитроичного сигнала (КТС) приведена на рисунке 13.

Алгоритм преобразования сигнала данных в биимпульсный сигнал должен происходить по следующим правилам: символы «0» и «1» сигнала данных передаются на тактовом интервале двумя импульсами равной длительности и противоположной полярности.

Порядок чередования полярности импульсов по сравнению с предыдущим тактовым интервалом не изменятся при передаче символа «1» и изменяется при передаче символа «0».

Рисунок 13 - Временная диаграмма сигнала и КТС

Временная диаграмма сигнала данных и соответствующего биимпульсного сигнала приведена на рисунке 14.

Рисунок 14 - Временная диаграмма биимпульсного сигнала

В качестве дополнительного метода кодирования исходной последовательности двоичных символов в диапазоне скоростей от 1200 до 480000 бит/с допускается использовать код Миллера.

Алгоритм преобразования сигнала данных в сигнал в коде Миллера должен происходить по следующим правилам: переход от одного уровня к другому происходит в центре единичного интервала, соответствующего символу «0», только в том случае, когда следующий символ также «0».

Временная диаграмма сигнала данных и соответствующего сигнала в коде Миллера приведена на рисунке 15.



Рисунок 15 - Временная диаграмма кода Миллера



Библиографический список

1 ГОСТ - 27232-87 - Стык аппаратуры передачи данных с физическими линиями. Москва, 1989. 9 с.

2 Воловодов А.А., От тактовой частоты до информационной магистрали / Воловодов А. А. 440 с.

3 Новиков Ю. В. Основы локальных сетей / Новиков Ю. В., С.В. Кондратенко Москва, 2006. 352 с.

4 Высокоскоростная передача данных. Учебное пособие / МТУСИ Москва. 2008. 288 с.

5 СТП ОмГУПС-1.2-2005. Работы студенческие учебные и выпускные квалификационные: общие требования и правила оформления текстовых документов. - Омский Государственный Университет Путей Сообщения. Омск, 2005. 28 с.

Размещено на Allbest.ru

...