انواع روش‌هاي کدگذاري

[mehraboOon]

انواع روش‌هاي کدگذاري (1)



وقتي مي‌خواهيم از دستگاه ديجيتالي داده‌هايي را به دستگاه ديجيتالي ديگري ارسال کنيم، در ساده‌ ترين حالت سيگنال‌هاي ارسالي نيز ديجيتالي خواهند بود. مانند ارسال اطلاعات از کامپيوتر به چاپگر. در اينگونه ارسال‌ها صفر و يک به پالس‌هاي سيگنال تبديل مي‌شوند و سطح ولتاژ نشان‌دهنده مقدار داده است.

در مقاله "اصول اوليه کدگذاري داده‌ها" دلايل نياز به کدگذاري را توضيح داديدم. مهم ترين اين دلايل، هم گام سازي ميان فرستنده و گيرنده و کاهش ميزان خطاست. فرض کنيد يک ها با ولتاژ hight و صفر ها با ولتاژ low کد شوند. اگر ارسال 8 بيت در رسانه انتقال 1 ثانيه زمان ببرد. و فرستنده با نرخ 8 بيت بر ثانيه داده‌ها را ارسال مي‌کند. اگر به دلايلي، گيرنده در يکي از اين ارسال‌ها 1.2 ثانيه زمان براي خواندن صرف کند. با اين حساب1 بيت اضافي ارسال شده خوانده مي‌شود که متعلق به رشته‌ي بيتي اوليه نيست و اين يک اضافي در هر بار رمز گشايي سبب ايجاد خطا مي‌شود.

براي کد گذاري داده ديجيتال به سيگنال ديجيتال 3 دسته روش اصلي وجود دارد


• Unipolar يا تک قطبي• Polar يا قطبي
• Bipolar يا دو قطبي

Unipolar يا تک قطبي


اين روش کد گذاري از تمام روش‌ها ساده تر است. به اين صورت که براي ارسال سيگنال از ولتاژ صفر براي نشان دادن صفر و از ولتاژ بالا يا پايين (يکي از پلاريته ها) براي نشان دادن يک استفاده مي‌شود. اين روش به دليل استفاده از تنها يک پلاريته، تک قطبي نام گرفته است. در اين روش مشکلاتي چون هم گام سازي به چشم مي‌خورد.
Polar يا قطبي


در اين روش بر خلاف روش قبل که تنها از يکي از سطوح ولتاژ استفاده کرديم، از دو سطح ولتاژ استفاده مي‌کنيم. هر چه تعداد سطوح ولتاژ بيشتر شود، تشخيص دادن کدهاي ارسالي سخت‌تر خواهد شد. اين روش خود سه زير مجموعه معروف دارد.• RZ يا بازگشت به صفر (مخفف Return to Zero)
• NRZ يا عدم بازگشت به صفر (مخفف Non Return to Zero)
• Biphase يا دوفازي

کدگذاري RZ


همان طور که توضيح داديم اگر رشته بيتي شامل تعداد زيادي صفر يا يک پشت سر هم باشد، گيرنده ممکم است در تشخيص آنها دچار خطا شود. يک راه حل ساده اما پر هزينه براي بر طرف کردن اين مشکل، ارسال سيگنال کلاک (سيگنالي که با توجه به آن بيت‌هاي يک و صفر تفسير مي‌شوند) به صورت جداگانه است. يکي از ويژگي‌هاي مهم روش‌هاي کد گذاري سعي در گنجاندن سيگنال کلاک در خود سيگنال داده است. به طوري که سيگنال ارسالي خود عمل کلاک و هم گام سازي را انجام دهد.
براي دست يابي به هدف، سيگنال به ازاي هر بيت بايد تغيير کند. در روش RZ، سيگنال نه تنها به ازاي هر بيت تغيير مي‌کند بلکه در طول يک دوره بيتي نيز تغيير مي‌کند. شکل را ببينيد تا خوب متوجه شويد.

همان طور که مشاهده مي‌کنيد، در اين روش براي نشان دادن يک از ولتاژ high به صفر مي‌رويم و براي نشان دادن صفر از ولتاژ low به صفر مي‌رويم. در واقع ما در نيمه هر دوره بيتي بازگشت به صفر داريم.

کد گذاري NRZ


در اين روش باز گشت به صفر نداريم و تغييرات سيگنال تنها در پايان هر دوره بيتي ( مدت زماني که طول مي‌کشد تا يک بيت ارسال شود) رخ مي‌دهد. در اين روش يک را با سطح ولتاژ high و صفر را با سطح ولتاژ low نشان مي‌دهيم.
نسخه ديگري از اين روش کد گذاري وجود دارد که به NRZ-I يا NRZ-m (NRZ-mark) مشهور است. اين روش کدگذاري بر مبناي نوع ورودي قبلي است. به اين معنا که اگر در آغاز دوره بيتي 1 داشتيم، در سطح سيگنال تغيير ايجاد مي‌کنيم ولي اگر صفر داشتيم، سطح سيگنال ثبت مي‌ماند و تغيير نمي‌کند. براي درک بهتر حتما تصوير زير را ببينيد.

کد گذاري دو فازي


روش دوفازي پدر اين روش سعي شده مشکلات دو روش قبلي تا حدودي حل شود. خود اين روش به قسمت منچستر (Manchester) و منچستر تفاضلي (Differential Manchester) تقسيم بندي مي‌شود که در مقاله بعدي به توضيح آن خواهيم پرداخت.
ادامه دارد...

فاطمه مجدآبادي
بخش دانش و زندگي تبيان

منابع:
Line codec analyzer
Line codes for digital transmissions

[mehraboOon]

انواع روش‌هاي کدگذاري (2)


در قسمت قبلي کدگذاري هاي کد خط، شامل تک قطبي، قطبي را توضيح داديم. همچنين گفتيم کدگذاري قطبي خود به سه دسته RZ، NRZ و دوفازي تقسيم مي‌شود. در اين مقاله ابتدا روش دو فازي توضيح داده مي‌شود.

کد گذاري دو فازي


روش دوفازي، در اين روش سعي شده مشکلات دو روش قبلي تا حدودي حل شود. خود اين روش به قسمت منچستر (Manchester) و منچستر تفاضلي (Differential Manchester) تقسيم بندي مي‎شود.
منچستر


در اين تکنيک، در وسط هر دوره بيتي، يک گذار وجود دارد که به عنوان محتواي بيت و کلاک مورد استفده قرار مي‌گيرد. مانند شکل اگر از high به low برويم صفر و اگر از low به high برويم، يک کد مي‌شود.
منچستر تفاضلي


در اين روش، مانند NRZ-I از عدم تغيير استفاده مي‌کنيم. در روش NRZ-I عدم گذار به معناي صفر بود ولي در اينجا عدم وارونگي به معناي يک است. کد گذاري دو قطبي


در اين روش، به جاي دو سطح ولتاژ، از سه سطح ولتاز مثبت، منفي و صفر استفاده مي‌کنيم. اگر يادتان باشد در روش RZ نيز از سه سطح ولتاژ استفاده مي‌کرديم ولي سطح صفر، نشانگر داده دودويي نبود. در اين هر سه سطح نمايانگر داده هستند.کدگذاري AMI


رشته ي داده هاي بيتي در اين تکنيک به اين صورت کد مي‌شود که عدد صفر، به ولتاژ صفر نسبت داده مي‌شود و عدد يک به ولتاژهاي مثبت و منفي. به اين صورت که اولين يک، ولتاژ مثبت مي‌گيرد و يک بعدي ولتاژ منفي و اين روند تا آخر رشته بيتي انجام مي‌شود.اشکال اين روش احتمال خطاي بيشتر آن نسبت به روش هاي منچستر و NRZ است ولي در مقابل با کاهس مولفه DC و امکان همگام سازي و استفاده کارا از پهناي باند رو به رو هستيم.

کدگذاري B8ZS


اين تکنيک از تکنيک هاي منشعب شده از AMI است. يکي از معيب روش AMI وجود صفرهاي متوالي بود زيرا در اين حالت سيگنال براي مدتي صفر خواهد بود و هم زماني از ميان مي‌رود. عدد 8 در نام اين روش بدين معناست که در انتهاي هر هشت صفر متوالي يک تغيير مصنوعي در سيگنال به وجود مي‌آوريم. مطابق تصوير، اگر آخرين يک داراي ولتاژ منفي باشد، تغيير مصنوعي داراي 5 پالس منفي، مثبت، صفر، مثبت و صفر مي‌شود. و اگر آخرين يک داراي ولتاژ مثبت باشد، تغيير مصنوعي داراي 5 پالس مثبت، منفي، صفر،منفي و مثبت است. دقت کنيد که اين 5 پالس در گيرنده به عنوان عدد صفر تعبير مي‌شوند.اين روش استاندارد کدگذاري آمريکاي شمالي است.

کد گذاري HDB3


در اين روش به جاي هر 8 بيت صفر متوالي، 4 بيت صفر متوالي در نظر گرفته مي‌شود. شکل تغيير مصنوعي به تعداد زوج يا فرد بودن يک‌هاتا قبل از رسيدن به 4 صفر متوالي بستگي دارد. به اين ترتيب که اگر تعداد يک ها زوج بود، تغيير مصنوعي به شکل 4 پالس مثبت، صفر، صفر و مثبت خواهد بود و اگر تعداد يک ها فرد باشد، تغيير مصنوعي به شکل صفر، صفر، صفر و منفي خواهد بود. اين تکنيک کدگذاري در اروپا و ژاپن مورد استفاده قرار مي گيرد.کد گذاري 21BQ


در اين روش از 4 سطح ولتاژ استفاده مي‌کنيم به طوري که هر پالس نمايانگر دو بيت داده است. چهار سطح به ترتيب: +3، +1، -1 و -3 هستند. اين روش به سطح قبلي وابسطه است.
اگر سطح قبلي مثبت باشد و بيت بعدي به ترتيب زير باشد، ولتاژ برابر است با :
00: ولتاژ +1
01: ولتاژ +3
10: ولتاژ –1
11: ولتاژ -3

اگر سطح قبلي منفي باشد و بيت بعدي به ترتيب زير باشد، ولتاژ برابر است با:
00: ولتاژ -1
01: ولتاژ +1
11: ولتاژ +3

کدگذاري MLT-3


اين روش مانند NRZ-I است با اين تفاوت که از سه سطح ولتاژ استفاده مي‌کنيم. سطوح مثبت، منفي و صفر.• اگر بيت بعدي صفر باشد گذار نداريم.
• اگر بيت بعدي يک باشد و سطح فعلي غير صفر، سطح بعدي صفر است.
• اگر بيت بعدي يک باشد و سطح فعلي صفر، سطح بعدي غير صفر و معکوس آخرين سطح غير صفر است.

فاطمه مجدآبادي
بخش دانش و زندگي تبيان

منابع:
Line codec analyzer
Line codes for digital transmissions

[mehraboOon]

انواع روش‌هاي کدگذاري (3)



ساده ترين مثال براي شروع کدگذاري داده هاي آنالوگ به سيگنال ديجيتال، صوت است. چطور صداي خود راروي کامپيوتر ذخيره مي‌کنيد و در اينترنت به اشتراک مي‌گذاريد؟
خروجي ميکروفن، داده آنالوگ است که در کامپيوتر به صفر و يک تغيير مي‌کند. کامپيوتر با روش‌هايي داده هاي انالوگ را طوري به صفر و يک تبديل مي‌کند که بتواند از روي آن دوباره صدا را بازسازي کند.

ابزاري که داده هاي انالوگ را به ديجيتال تبديل مي‌کند کُدِک نام دارد. اين وسيله با نام هاي ديگري چون رقمي ساز، مبدل انالوگ به ديجيتال که به ترتيب ترجمه عبارت هاي Digitizer و Analog to Digital Convertor هستند، نيز شناخته مي‌شود.
هدف اصلي اين ابزار تبديل کردن داده انالوگ به دنباله اي از بيت هاي صفر و يک است به گونه اي که اطلاعات اوليه را بتوان از روي آن بازسازي کرد و انها را به صورت کد هاي NRZ يا هر کد ديگري نمايش و انتقال داد.

مدولاسيون دامنه (Pulse Amplitude Modulation)


اولين مرحله از مدولاسيون داده هاي آنالوگ به ديجيتال PAM نام دارد. در اين تکنيک ياد مي‌گيريم چطور از داده هاي آنالوگ نمونه برداري کنيم. نمونه برداري در اينجا بدين معناست که که دامنه سيگنال را در فواصل زماني مشخص اندازه مي‌گيريم. هر چه اندازه اين فاصله زماني کمتر باشد، نمونه بر داري دقيق تر است.
روش PAM به تنهايي روشي براي انتقال و کد گذاري داده هاي آنالوگ نيست. زيرا در اين روش سيگنال آنالوگ به سيگنال نمونه برداري تبديل مي‌شود و همچنان اين سيگنال را نيز نمي توانيم در رسانه ي انتقال ديجيتال عبور دهيم. زيرا داده ها هنوز آنالوگ هستند.
تکنيک PAM در واقع مقدمه اي براي روش مدولاسيون کد پالس (Pulse Code Modulation) يا به اختصار PCM است که در ادامه به توضيح ان مي پردازيم.
مدولاسيون کد پالس (Pulse Code Modulation)



سيگنال خروجي که از روش PAM به دست آورديم را به عنوان سيگنال ورودي براي اين روش به کار مي‌بريم. اولين قدم کوانتيزه کردن پالس هاي PAM است.
گفتيم در PAM در فاصله هاي زماني مشخص از سيگنال آنالوگ نمونه بر داري مي‌کنيم. نمونه هاي گرفته شده ممکن است داراي مقادير غير صحيح باشند. براي انتقال داده ها ابتدا مجبوريم داده هايي که مقدار آنها ناصحيح است را کوانتيزه کرده و به مقادير صحيح تبديل کنيم.

پس از کوانتيزه کردن نمونه ها، کار ساده مي‌شود. مي توانيد حدس بزنيد؟
تنها کافيست اندازه هاي کوانتيزه شده را به مبناي دو تبديل کنيم. با اين کار رشته اي از صفر و يک ها توليد خواهد شد و اين صفر و يک به راحتي در رسانه ي انتقال ديجيتال منتشر مي شوند. در اين تکنيک گيرنده نيز از روش کار مطلع است و از روي مقادير خوانده شده بر اساس فاصله زماني نمونه برداري شده، سيگنال مورد نظر را بازسازي مي کند.


با توجه به مطالب گفته شده، واضح است که هر چه ميزان نرخ نمونه برداري بيشتر باشد (البته بستگي به نوع سيگنال دارد) و بازه هاي لازم براي کوانتيزه کردن اعداد PAM کوچک تر باشد، سيگنال بازسازي شده در سمت گيرنده دقيق تر خواهد بود و به اين ترتيب کيفيت صداي انتقال يافته از فرستنده به گيرنده افت کمتري خواهد داشت.


نرخ نمونه برداري


ميزان نرخ نمونه برداري در اين روش حرف اساسي را مي‌زند. اگر بازه نمونه برداري درست انتخاب نشود، سيگنال آنالوگ شکل خود را از دست مي دهد و در سمت گيرنده نمي تواند بازسازي شود.
تکنيک هاي نمونه برداري متفاوتي وجود دارند که سه روش ايده آل، طبيعي و سر تخت را مي توان نام برد. نمونه برداري مانند عمل سوئيچ رفتار مي کند که به طور متناوب با پريود زماني مشخص باز و بسته مي شود. معکوس فاصله نمونه برداري، فرکانس نمونه برداري خوانده مي شود.
بر اساس قضيه نايکوئيست (Nyquist Theorem)، نرخ نمونه برداري بايد حد اقل دو برابر بالاترين مولفه فرکانسي (دو برابر پهناي باند) سيگنال آنالوگ باشد. عددي که اين قضيه بيان مي کند حداقل عددي است که گيرنده توسط آن مي تواند سيگنال فرستاده شده را بازسازي کند.

فاطمه مجدآبادي

بخش دانش و زندگي تبيانمنابع:
Line codec analyzer
Line codes for digital transmissions
Data communication / F.safaei

[mehraboOon]

انواع روش‌هاي کدگذاري (4)



معروف ترين کاربرد اين نوع انتقال، ارسال داده‌هاي ديجيتال از طريق شبکه هاي عمومي تلفن است. شبکه هاي تلفن براي ارسال، سوئيچ و دريافت سيگنال هاي آنالوگ در محدوده ي فرکانس صوتي در حدود 300 تا 3400 هرتز طراحي شده اند. براي انتقال سيگنال هاي ديجيتال نمي توان از خطوط تلفن فعلي استفاده کرد زيرا انتقال در فاصله ميان مشترک تلفن تا مرکز سوئيچ تلفن به شکل آنالوگ مي باشد. بنابراين تجهيزات ديجيتال ( مانند کامپيوتر ) از طريق مودم ( مدولاتور / دمدولاتور ) به شبکه ي تلفن اتصال مي يابند.
مبدل داده ي ديجيتال به سيگنال آنالوگ را مدولاسيون ديجيتال مي گويند. مدولاسيون عملياتي است که در عموم مودم ها انجام مي شود و مودم ها سيگنال ديجيتال را به آنالوگ و بر عکس تبديل مي کنند.
مدولاسيون تبديل رشته اي از صفر و يک ها به يک سيگنال آنالوگ قابل عبور از کانال ( مانند صوت ) است.

اما تکنيک اصلي مودم ها چيست؟


در برخي از خطوط انتقال داده ها، سيگنال هاي خاصي توانايي عبور دارند. به اين سيگنال ها، سيگنال هاي حامل مي‌گويند که حد اکثر توانايي عبور از کانال را دارند.
با توجه به همين موضوع، مي توانيم بر سه ويژگي اصلي موج عامل تغيير ايجاد کنيم تا معناي صفر و يک را منتقل کنيم. اين سه ويژگي عبارت اند از دامنه، فرکانس و فاز. اگر بتوانيم بر اين سه مولفه تغييرات خاص را اعمال کنيم، مي توانيم رشته هاي بيتي را نيز در رسانه ي انتقال منتقل کنيم. حال به بررسي اين تکنيک ها مي پردازيم.

مدولاسيون شيفت گسسته در دامنه ( Amplitude Shift Keying )


اين روش به طور اختصار ASK ناميده مي شود. در اين تکنيک تمرکز ما بر روي تغييرات دامنه است. به اين طريق که بيت 1 با حضور سيگنال و بيت 0 را با دامنه ي صفر يا عدم حضور سيگنال ارسال کنيم. در اين حالت هر دو مشخصه ي فاز و فرکانس هر دو ثابت اند و فقط دامنه تغيير مي‎ کند.در پياده سازي ASK دودويي يک اسيلاتور داريم که موج سينوسي را توليد مي کند و يک کليد نيز وجود دارد که با توجه به مقدار دودويي بيت کليد بسته مي شود و خروجي اسيلاتور را ارسال مي کند.

در ASK مي بينيم که با هر المان سيگنال ، يک بيت ارسال مي شود يعني نرخ باود با نرخ بيتي برابر است. يکي از معايب مهم مدولاسيون ASK اين است که دامنه ي سيگنال مدوله شده با توجه به نويز و تضعيف کانال تغيير مي يابد و بيت ها با يمديگر اشتباه مي شوند.

مدولاسيون شيفت گسسته در فرکانس ( Frequency Shift Keying)


اين روش به طور اختصار FSK ناميده مي شود. بيت هاي صفر و يک فرکانس موج سينوسي را تغيير مي دهد. فرکانس موج حامل با توجه به داده هاي دودويي تغيير مي کند و فاز و دامنه هر دو ثابت هستند. نحوه پياده سازي FSK به اين صورت است که نوسان سازي داريم که فرکانس آن با ولتاژ کنترل مي شود. اين نوسان ساز ها به اختصار VCO يا Voltage Controlled Oscillator ناميده مي شود. براي ساخت مدولاتور FSK، دنباله ي بيت دودويي يعني ولتاژهاي بالا و پايين به عنوان کنترل کننده ي فرکانس نوسان ساز استفاده مي شود و سيگنال خروجي نوسان ساز به عنوان سيگنال مدوله شده مورد استفاده قرار مي گيرد.
مدولاسيون شيفت گسسته در فاز ( Phase Shift Keying)


اين روش به طور اختصار PSK ناميده مي شود. همان طور که مي توانيد حدس بزنيد، در اين روش براي انتقال رشته هاي بيتي از تغيير فاز موج حامل استفاده مي‌کنيم. براي مثال بيت صفر را با فاز صفر و بيت يک را با فاز 180 درجه نشان مي دهيم. پياده سازي PSK شببه ASK ايت با اين تفاوت که سيگنال دودويي ضرب شونده در سيگنال حامل داراي دامنه هاي مثبت و منفي است( نه مثبت و صفر ) و مانند اين است که کليد به جاي خاموش و روشن کردن خروجي اسيلاتور ، جاي دو سر سيم آن را با توجه به صفر و يک عوض کند.

فاطمه مجدآبادي
بخش دانش و زندگي تبيان

منابع:

Line codec analyzer
Line codes for digital transmissions
Data communication / F.safaei