فهرست مطالب

فصل اول. 8

کدینگ و مدالاسیون. 8

1-1 کدینگ و مدالاسیون. 9

1-2 انتقال داده‌های آنالوگ و دیجیتال. 10

1-3 داده ها و سیگنال ها12

1-4 انتقال آنالوگ و دیجیتال. 15

فصل دوم. 22

کدینگ دیجیتال به دیجیتال و دیجیتال به آنالوگ... 22

2-1 تبدیل دیجیتال به دیجیتال:23

2-1-1 کدینگ تک قطبی (unipolar)29

2-1-2کدینگ قطبی (polar)30

2-1-3کدینگ دو قطبی bipolar37

2-2 تبدیل سیگنال‌های دیجیتال به آنالوگ... 39

2-2-1 روش ASK.. 42

2-2-2 روش FSK.. 43

2-2-3 PSK دوسطحی.. 47

2-2-4 مدولاسیون دامنه تربیعی یا روش (QAM). 52

فصل سوم. 54

تبدیل سیگنال‌های آنالوگ به دیجیتال و آنالوگ به آنالوگ... 54

3-1 تبدیل سیگنال‌های آنالوگ به دیجیتال. 55

3-1-1 مدولاسیون بر حسب دامنه پالس PAM... 57

3-1-2 مدولاسیون کد پالس.... 58

3-1-3 مدولاسیون دلتا (DM). 62

3-2 داده آنالوگ، سیگنال آنالوگ... 66

3-2-1 مدولاسیون دامنه. 67

3-2-2 مدولاسیون زاویه. 70

 

 

 

چکیده

در این کتاب سعی شده است که تمامی مطالب بصورت آسان برای درک بهتر مفاهیم ارائه گردد. در جمع آوری این پایان نامه از کتاب نقل وانتقال اطلاعات (استالینگ) استفاده شده است که تلاش بر این شده مطالبی مفید درباره‌ی کدینگ و اینکدینگ اطلاعات در شبکه‌های کامپیوتری ارائه شود. با امید آنکه با مطاله‌ی این پایان نامه به تمامی اهداف آموزشی از پیش تعیین شده خود برسید.

 

 

فصل اول

کدینگ و مدالاسیون

 

 

 

1-1 کدینگ و مدالاسیون

در رسانه سیگنال ها به شکل‌های مختلف قابل انتقال هستند. اما چگونه پیام به سیگنال تبدیل شود. برای پاسخ این سئوال می‌بایست نوع پیام و نوع سیگنال مورد نیاز جهت انتقال اطلاعات در روی رسانه در نظر گرفته شود. با در نظر گرفتن آنالوک ودیجیتال بودن پیام و سیگنال چهار امکان تبدیل پیام به سیگنال و یا بالعکس وجود دارد.

این چهار امکان در شکل 1-1 کشیده شده است. اگر پیام به صورت آنالوگ بوده و سیگنال نیز به صورت آنالوگ باشد. تبدیل بصورت آنالوگ به آنالوگ خواهد بود برای سه امکان دیگر نیز به همین ترتیب تعریف می‌گردد

 

1-1 چهار حالت ممکن تبدیل پیام به سیگنال

1-2 انتقال داده‌های آنالوگ و دیجیتال

واژه آنالوگ و دیجیتال صراحتاً به ترتیب به پیوسته و گسسته اتلاق می‌شود. این دو واژه به دفعات در تبادل داده حداقل در سه زمینه به کار می‌رود: داده، سیگنالینگ (سیگنال دهی) و انتقال.

به طور خلاصه، داده را عنصری (واحدی[1]) می‌نامیم که مفهوم یا اطلاعاتی را حمل می‌کند. سیگنال ها نمایش‌های الکتریکی یا الکترو مغناطیسی داده هستند.

سیگنالینگ انتشار فیزیکی سیگنال آنالوگ در یک رسانه مناسب است. انتقال، تبادل داده به وسیله ی انتشار و پردازش سیگنال ها است. آن چه که در ادامه خواهد آمد سعی در شفاف کردن این مفاهیم منفرد خواهد کرد. این کار را با اعمال واژه‌های آنالوگ و دیجیتال به داده، سیگنال ها و انتقال انجام می‌دهیم.

شکل1-2 اثر پهنای باند روی یک سیگنال دیجیتال

1-3 داده ها و سیگنال ها

در بحث قبل، سیگنال‌های آنالوگ برای نمایش داده‌های آنالوگ و سیگنال‌های دیجیتال برای نمایش داده‌های دیجیتال به کار رفتند. عموماً داده‌های آنالوگ تابعی از زمان بوده و طیف فرکانس محدودی را اشغال می‌کنند. چنین داده هایی با سیگنال‌های الکترومغناطیسی نمایش داده شده و طیف یکسانی را اشغال می‌نمایند. داده‌های دیجیتال به وسیله ی سیگنال‌های دیجیتال همراه با سطوح ولتاژ مختلف برای دو رقم دودویی نشان داده می‌شود.

شکل 1-3 تبدیل ورودی PC به سیگنال دیجیتال

داده‌های دیجیتال را می‌توان به کمک یک مودم (modulator/demodulator) به سیگنال‌های آنالوگ تبدیل کرد. مودم یک سری از پالس‌های ولتاژ دودویی (دومقداری) را به یک سیگنال آنالوگ تبدیل می‌نماید. این کار با کد گذاری داده دیجیتال در فرکانس حامل انجام می‌گیرد. سیگنال حاصل طیف معینی را اشغال می‌کند که مرکزیت آن حول فرکانس حامل است و ممکن است در رسانه ای مناسب آن موج حامل منتشر شود. بسیاری از مودم‌های متداول داده دیجیتال را در طیف صوت ارائه می‌کنند و بنابراین به آن داده‌های امکان انتشار از طریق خطوط تلفنی داده می‌شود. در سمت دیگر این خط، مودم دیگری سیگنال را برای به دست آوردن داده اصلی، دمدوله می‌نماید.

در عملی شبیه به آن چه توسط یک مودم انجام می‌شود، داده‌های آنالوگ می‌توانند توسط داده‌های دیجیتال نمایش داده شوند. دستگاهی که این کار را برای داده صوتی انجام می‌دهد،کدگذار[2] نام دارد (مخفف Coder-decoder). در واقع کدگذار مستقیماً سیگنال آنالوگی را که معرف داده صوتی است دریافت کرده و آن را به یک رشته بیت تقریب می‌نماید. در سمت گیرنده، رشته بیت برای بازسازی داده آنالوگ به کار می‌رود.

 

 

جدول 1-1 انتقال آنالوگ و دیجیتال
(الف) داده ها و سیگنال ها
	سیگنال آنالوگ	سیگنال دیجیتال
داده آنالوگ	دو حالت وجود دارد: اولا سیگنال همان طیف داده آنالوگ را اشغال می‌کند و ثانیاً داده آنالوگ انکد (کدگذاری)شده تا بخش دیگری از طیف را بگیرد.	داده آنالوگ با استفاده از انکدر /دیکدر کدگذاری می‌شوند تا رشته بیت‌های دیجیتال تولید شود.
داده دیجیتال	داده دیجیتال با استفاده از یک مودم انکد شده تا سیگنال آنالوگ به دست آید.	دو حالت وجود دارد: اولاً سیگنال متشکل از دو سطح ولتاژ برای نمایش دو مقدار دودویی است و ثانیاً داده دیجیتال برای تولید یک سیگنال دیجیتال خواص مورد نظر انکد شده است.
(ب) نوع برخورد با سیگنال ها
سیگنال آنالوگ	از طریق تقویت کننده ها منتشر می‌شود ؛ رفتار مشابهی برای سیگنال آنالوگ یا دیجیتال دارد.	فرض کنید که سیگنال آنالوگ داده دیجیتال را نمایش دهد. سیگنال از طریق تکرار کننده انتشار می‌یابد در هر تکرارکننده، داده دیجیتال از سیگنال ورودی گرفته شده، برای تولید سیگنال آنالوگ خروجی به کار می‌رود.
سیگنال دیجیتال	به کار نرفته است.	سیگنال دیجیتال رشته ای از 0 ها و 1 ها را نشان می‌دهد، که ممکن است نمایشگر داده دیجیتال یا کدگذاری شده یک داده آنالوگ باشد. سیگنال از طریق تکرار کننده ها منتشر می‌شود. 1 ها و 0 ها از سیگنال دریافتی بازسازی شده و رشته سیگنال جدیدی برای خروجی تولید می‌گردد.

 

1-4 انتقال آنالوگ و دیجیتال

هر دو نوع سیگنال آنالوگ و دیجیتال می‌توانند روی رسانه ای مناسب ارسال گردند. روشی که بر روی این سیگنال ها اجرا می‌شود به سیستم انتقال وابسته است. جدول 1-1 این روش ها را خلاصه کرده است. انتقال آنالوگ به معنی انتقال سیگنال آنالوگ بدون توجه به محتوای آن ها است. سیگنال ها ممکن است داده‌های آنالوگ مثل صوت یا داده دیجیتال مثل داده دودویی که از یک مودم می‌گذرد را نمایش دهند. در هریک از دوحال، سیگنال آنالوگ پس از طی مسافت معینی ضعیف می‌شود. برای دستیابی به فواصل دورتر، سیستم انتقال آنالوگ دارای تقویت کننده ای است که انرژی را در سیگنال تقویت می‌کند. متأسفانه، تقویت کننده پارازیت ها را هم تقویت می‌نماید. با توالی سازی تقویت کننده برای دستیابی به فواصل دورتر، سیگنال بیشتر و بیشتر، اعوجاج پیدا می‌کند. برای داده آنالوگ، مانند صوت با حفظ درک داده، اعوجاج کمی مورد قبول است. با این وجود برای داده دیجیتال، تقویت‌های متوالی،خطا ایجاد می‌نمایند.

برعکس، انتقال دیجیتال به محتوای سیگنال توجه دارد. یک سیگنال دیجیتال فقط تا فاصله ی محدودی قبل از تأثیر تضعیف، پارازیت و دیگر موانع و به مخاطره افتادن جامعیت داده، انتقال می‌یابد. برای دستیابی به فواصل بزرگتر، از تکرارکننده ها استفاده می‌شود. یک تکرارکننده سیگنال دیجیتال را دریافت می‌کند، الگوی 1 ها و 0 ها را ترمیم می‌کند و یک سیگنال جدید ارسال می‌دارد. بنابراین تضعیف منتفی است.

تکنیک مشابهی می‌تواند برای سیگنال آنالوگ هم استفاده شود، با این فرض که سیگنال درحال حمل داده دیجیتال است. در نقاطی با فواصل مناسب، سیستم انتقال به جای تقویت کننده دارای تکرارکننده است. تکرار کننده داده دیجیتال را از سیگنال آنالوگ در می‌آورد و سیگنال آنالوگ جدید و واضحی را تولید می‌نماید. بنابراین از تجمع پارازیت جلوگیری می‌شود.

سوالی که به طور طبیعی پیش می‌آید. این است که کدام روش انتقال ارجح است. پاسخی که به وسیله ی صنعت مخابرات و مشتریانش داده می‌شود دیجیتال است. هم امکانات مخابراتی راه دور و هم درون ساختمانی و در صورت امکان در تکنیک‌های سیگنالینگ دیجیتال به سمت انتقال دیجیتال گرایش پیدا کرده اند. دلایل عمده به شرح زیر است:

• فناوری دیجیتال:ظهور فناوری مجتمع سازی در مقیاس بزرگ (LSI) و خیلی بزرگ (VLSI)، موجب تداوم کاهش در قیمت و سایز مدارهای دیجیتال گردید. تجهیزات آنالوگ چنین افتی را نشان نداده اند.
• جامعیت داده: با استفاده از تکرار کننده ها به جای تقویت کننده ها، اثر پارازیت ها و دیگر تضعیف کننده ها روی هم انباشته نمی شوند. بنابراین می‌توان به روش دیجیتال داده را روی خطوط کم کیفیت به فواصل دورتر فرستاد و جامعیت داده را هم حفظ کرد.
• استفاده از ظرفیت: ساخت خطوط انتقال با پهنای باند خیلی زیاد از جمله کانال‌های ماهواره و فیبرنوری اینک اقتصادی شده است. استفاده بهینه از این ظرفیت نیاز به درجه ی بالایی از مولتی پلکسینگ دارد، و این هم با روش دیجیتال ارزان تر و آسان تر به دست می‌آید تا با تکنیک‌های آنالوگ.
• امنیت و اختصاص: تکنیک‌های رمز گذاری[3] به سادگی قابل اعمال به داده‌های دیجیتال و نیز داده‌های آنالوگ هستند که دیجیتالی شده اند.

نکات کلیدی

• هر دو نوع اطلاعات آنالوگ و دیجیتال را می‌توان به صورت سیگنال‌های آنالوگ یا دیجیتال کدگذاری کرد. کدگذاری خاص انتخابی به نیاز‌های خاصی بستگی دارد که قرار است برآورده شود و نیز به امکانات مخابره و رسانه موجود وابسته است.
• داده‌های دیجیتال، سیگنال‌های دیجیتال: ساده ترین فرم انکد کردن (کدگذاری داده دیجیتال تخصیص یک سطح ولتاژبه عدد دودویی 1 و سطحی دیگر به عدد دودویی 0 است. طرح‌های کدگذاری پیچیده تری برای اصلاح عملکرد استفاده می‌شوند. این کار با تغییر طیف سیگنال و ایجاد قابلیت همگامی انجام می‌گردد.
• داده‌های دیجیتال، سیگنال‌های آنالوگ: یک مودم داده دیجیتال را به یک سیگنال آنالوگ تبدیل می‌کند، به نحوی که بتوان از طریق خط آنالوگ ارسال گردد. عمده ترین روش کلیدزنی شیفت دامنه (ASH)، کلید زنی شیفت فرکانس (FSK) و کلید زنی شیفت فاز (PSK) است. هر یک از آن ها یک یا چند خصوصیت فرکانس حامل را برای ارائه داده دودویی تغییر می‌دهند.
• داده‌های آنالوگ، سیگنال‌های دیجیتال: داده آنالوگ، مانند صوت و ویدیو، اغلب دیجیتالی می‌شوند تا امکانات ارسال دیجیتال استفاده شود. ساده ترین تکنیک مدولاسیون کد پالس(PCM) است، که شامل نمونه برداری تکراری داده آنالوگ و کوانتیزه کردن نمونه ها است.
• داده‌های آنالوگ، سیگنال‌های آنالوگ: داده‌های آنالوگ به وسیله ی فرکانس حامل مدوله می‌شوند تا یک سیگنال آنالوگ در باندهای فرکانس متفاوت تولید گردد. این سیگنال قابل استفاده در سیستم ارسال آنالوگ است. تکنیک‌های اصلی عبارتند از مدولاسیون دامنه (AM)، مدولاسیون فرکانس (FM) و مدولاسیون فاز (PM).

تفاوت بین داده‌های آنالوگ و دیجیتال، و سیگنال‌های دیجیتال و آنالوگ بیان شد.

نشان داد که هر یک از دو فرم داده می‌تواند به هریک از فرم‌های سیگنال تبدیل گردد.

برای سیگنالینگ دیجیتال، یک سورس داده g(t) که می‌تواند دیجیتال یا آنالوگ باشد، به یک سیگنال دیجیتال x(t) کدگذاری (انکد) شده است. فرم واقعی x(t) به تکنیک انکد کردن بستگی داشته و بر بهینه سازی استفاده از محیط انتقال تأکید دارد. مثلاً کدگذاری ممکن است برای حفظ پهنای باند و یا حداقل کردن خطاها به کار رود.

مبنای سیگنالینگ آنالوگ عبارت است از سیگنالی با فرکانس ثابت و پیوسته به نام سیگنال حامل. فرکانس سیگنال حامل سازگار با محیط انتقال به کار رفته است. داده با استفاده از یک سیگنال حامل ارسال می‌شود.

مدولاسیون

فرآیند کدگذاری داده منبع روی سیگنال حاملی با فرکانس است. همه تکنیک‌های مدولاسیون شامل عملی روی یک یا سه پارامتر حوزه فرکانس، یعنی دامنه، فرکانس و فاز است.

1-4 روش‌هاي كد گذاري و مدولاسيون

سیگنال ورودی m(t) ممکن است آنالوگ یا دیجیتال باشد و به آن سیگنال مدولاسیون یا سیگنال باند پایه [4] می‌گویند. حاصل مدوله کردن سیگنال حامل را سیگنال مدوله شده، s(t) می‌گویند. شکل 1-4 (ب) نشان می‌دهد که سیگنال s(t) یک سیگنال با پهنای باند محدود است. مکان پهنای باند بر روی طیف به مربوط می‌شود و اغلب مرکزیت آن است. مجدد فرم واقعی کدگذاری، به منظور بهینه سازی خواصی از انتقال، انتخاب می‌گردد.

هر یک از چهار ترکیب شکل 1-5 کاربرد گسترده ای دارد. دلیل انتخاب ترکیبی خاص برای هرکار مخابره متفاوت است. ما بعضی از دلایل را در زیر ارائه داده ایم.

• داده دیجیتال، سیگنال دیجیتال: به طور کلی، تجهیزات کدگذاری داده دیجیتال به سیگنال دیجیتال پیچیدگی کمی دارد و از تجهیزات مدولاسیون دیجیتال به آنالوگ ارزان تر است.
• داده آنالوگ، سیگنال دیجیتال: تبدیل داده آنالوگ به فرم دیجیتال اجازه استفاده از تجهیزات سوئیچینگ انتقال مدرن را فراهم نموده است و مزیت روش دیجیتال در فصل 3-1 بیان شده است.
• داده دیجیتال، سیگنال آنالوگ: بعضی از رسانه‌های انتقال مثل فیبرنوری و رسانه بی سیم تنها سیگنال آنالوگ را منتشر می‌نمایند.
• داده آنالوگ، سیگنال آنالوگ: داده آنالوگ به فرم الکتریکی به سادگی و با هزینه ای کم به عنوان سیگنال هایباند پایه قابل انتقال است. این کار با انتقال صوت روی خطوط صوتی انجام می‌شود. یک کاربرد رایج مدولاسیون، شیفت پهنای باند سیگنال باند پایه به محل دیگری از طیف است. به این ترتیب چندین سیگنال، هر یک در بخش متفاوتی از این طیف، می‌توانند به طور مشترک از یک رسانه انتقال استفاده نماید. به این کار مولتی پلکسینگ یا مالتی پلکس کردن [5] تقسیم فرکانس می‌گویند.

 

اکنون تکنیک‌های موجود در هریک از این ترکیب ها را بررسی می‌کنیم.

جدول 1-2 واژه‌های انتقال داده
واژه	واحد	تعریف
عنصر داده	بیت	یک 1 یا 0 دودویی
سرعت انتقال داده	دیجیتال ؛ پالس ولتاژی با دامنه ثابت	آن بخش از سیگنال که کوتاهترین مدت از یک کد سیگنال کردن را اشغال نماید.
سرعت سیگنالینگ یا سرعت مدولاسیون	عناصر سیگنال در ثانیه (باود)	سرعت ارسال عناصر سیگنال

 

 

 

فصل دوم

کدینگ دیجیتال به دیجیتال و دیجیتال به آنالوگ

 

 

 

 

2-1 تبدیل دیجیتال به دیجیتال:

(digital to digital convertion or encoding)

کدبندی یا تبدیل دیجیتال به دیجیتال، تبدیل پیام‌های دیجیتال به سیگنال‌های دیجیتال است. برای مثال کامپیوتری را در نظر بگیرید که می‌خواهد اطلاعاتی را به پرینتر ارسال کند. اطلاعات کامپیوتر و نیز سیگنال روی کابل پرینتر بصورت دیجیتال می‌باشند.

در این مثال کدینگ با تبدیل بیت ها به پالس‌های دیجیتال انجام می‌گیرد.در شکل2-1 عملیات کد کردن اطلاعات دیجیتال به سیگنال دیجیتال ترسیم شده است.

برای انجام این عملیات مکانیزم‌های مختلفی وجود دارد.

کدینگهای تک قطبی(unipolar) ، قطبی (polar) و دو قطبی ((Bipolare

مورد برسی قرار می‌گیرند در شکل 2-1 این تقسیم بندی ترسیم شده است.

نمودار 2-1 انواع کدینگ تبدیل دیجیتال به دیجیتال

یک داده دیجیتال رشته ای از پالس‌های ولتاژ گسسته و ناپیوسته می‌باشد. داده‌های دودویی با کدگذاری هر بیت داده به عناصری از سیگنال ارسال می‌شوند. در ساده ترین حالت، تطابق یک به یک بین بیت ها و عناصر سیگنال وجود دارد. که در آن دودویی 1 با یک سطح ولتاژ پایین و یک 0 دودویی با یک سطح ولتاژ بالا نشان داده شده است. ما در این بخش نشان خواهیم داد که طرح‌های کدگذاری دیگر هم استفاده می‌شوند.

ابتدا چند واژه را تعریف می‌کنیم. اگر عناصر سیگنال همگی دارای علامت جبری یکسانی باشند، یعنی همگی مثبت یا منفی فرض شوند، آن گاه سیگنال تک قطبی[6] است. در سیگنالینگ قطبی[7] یک سطح منطقی به وسیله سطح ولتاژ مثبت و دیگری به وسیله سطح ولتاژ منفی نشان داده شده است. سرعت سیگنالینگ داده یا فقط سرعت داده یک سیگنال برحسب بیت بر ثانیه، سرعت ارسال داده است. بازه[8] یا طول یک بیت مدت زمانی است که صرف ارسال یک بیت می‌گردد. برای سرعت داده R، مدت سیگنال R/1 است. برعکس سرعت مدولاسیون، سرعتی است که در آن سطح سیگنال تغییر می‌یابد. طبق توضیحاتی که بعداً خواهد آمد، این به طبیعت انکد دیجیتال وابسته است.سرعت مدولاسیون بر حسب باود[9] ذکر می‌شود و به معنی تعداد عناصر سیکنال در ثانیه است. بالاخره واژه‌های نشانه[10] و فاصله[11] به دلایل تاریخی به ترتیب به همان سطوح منطقی 1و0 اشاره دارند. جدول 1-5 واژه‌های کلیدی را لیست کرده است. ماپس از ملاحظه مثالی در این مورد آن ها را واضح تر خواهیم یافت.

دوباره با مراجعه به شکل2-2می‌توانیم تفسیر سیگنال‌های دیجیتال را در سمت گیرنده خلاصه کنیم. اول این که گیرنده باید زمان بندی هر بیت را بداند. یعنی گیرنده باید با مقداری دقت بداند که زمان شروع و پایان بیت چه وقت است.دوم گیرنده باید بداند که سطح سیگنال برای هر بیت بالا(0) یا پایین(1) است.

چه عواملی موفیقت گیرنده را در تفسیر سیگنال‌های دریافتی معین می‌نمایند؟ درفصل 3 دیدیم که سه عامل در این مورد اهمیت دارند: نسبت سیگنال به پارازیت (یا بهتر بگوییم ) سرعت انتقال داده و پهنای باند. با ثابت نگه داشتن دیگر عوامل، عبارات زیر صحیح اند:

• افزایش سرعت انتقال داده، سرعت خطای بیت (BER) را افزایش می‌دهد.
• افزایش در SNR، سرعت خطای بیت را کاهش می‌دهد.
• افزایش در پهنای باند، افزایش سرعت انتقال داده را به دنبال دارد.

فاکتور دیگری که عملکرد را اصلاح می‌کند، طرح کدگذاری است. طرح کدگذاری در واقع تصویر نمودن یا نگاشت بیت‌های داده به عناصر سیگنال می‌باشد. شیوه‌های گوناگونی مورد آزمایش قرارگرفته است. در ادامه ما بعضی از شیوه‌های رایج تر را توصیف خواهیم کرد. آنها در جدول 2-5 تعریف شده اند.

قبل از توصیف این روش ها بیایید راه‌های ارزیابی یا مقایسه تکنیک‌های مختلف را بررسی کنیم.

جدول 2-5 تعریف فرمت‌های انکد کردن سیگنال دیجیتال

برگشت ناپذیر به صفر 0=سطح بالا 1= سطح پایین برگشت ناپذیر به صفر معکوس شده 0= بدوت تغییر وضعیت در آغاز بازه (مدت یک بیت) 1 = تغییر وضعیت در آغاز بازه. AMI- دو قطبی 0= عدم وجود سیگنال در خط 1= سطح مثبت یا منفی، برای 0‌های متوالی تغییر می‌کند. سه سطحی 0= سطح مثبت یا منفی، برای 0‌های متوالی تغییر می‌کند. 1=عدم وجود سگنال در خط. منچستر 0= گذر از بالا به پایین در وسط بازه زمانی 1= گذر از پایین به بالا در وسط بازه زمانی منچستر تفاضلی همیشه گذری در وسط بازه زمانی 0 = گذر در آغاز بازه زمانی. 1 = بدون گذر در آغاز بازه زمانی. B8ZS مثلAMI دوقطبی به جز این که رشته ای از هشت صفر با رشته ای با دو کد نقض جایگزین می‌شود. HDB3 مثل AMI به جز این که هر رشته ای متشکل از چهار صفر با رشته ای با یک کد نقض جایگزین می‌شود.

 

شکل 2-2 فرمت‌های کدگزاری سیگنال دیجیتال

• طیف سیگنال: جنبه‌های متعددی از طیف سیگنال مهم هستند. عدم وجود مولفه‌های فرکانس بالا به این مفهوم است که پهنای باند کمتری برای انتقال نیاز است. به علاوه عدم وجود مولفه جریان مستقیم (dc) هم مطلوب می‌باشد. با وجود مولفه dc در سیگنال، باید اتصال فیزیکی مستقیمی بین اجزای انتقال وجود داشته باشد. بدون مولفه dc اتصالac ازطریق ترانس امکان پذیر استاین عمل عایق سازی الکتریکی بسیارخوبی ایجاد می‌نماید، و موجب کاهش تداخل می‌گردد. بالاخره اندازه تأثیر اعوجاج سیگنال و تداخل به خصوصیات طیف سیگنال انتقال یافته بستگی دارد. در عمل، گاهی پیش می‌آید که مشخصه‌های انتقال یک کانال در نزدیکی لبه‌های باند بدتر باشد. بنابراین یک طراحی خوب سیگنال، باید توان انتقالی را در وسط پهنای باند انتقال قرار دهد. در یک چنین حالتی، اعوجاج کوچکتری در سیگنال دریافتی وجود خواهد داشت. برای دستیابی به این هدف می‌توان با توجه به شکل دهی سیگنال انتقال یافته کدهایی را طراحی نمود.
• ساعت زنی: در مورد تعیین ابتدا و انتهای هر بیت سخن گفتیم. این کارآسانی نیست. یک روش گران قیمت تهیه لبه‌های ساعت جداگانه برای همگام کردن فرستنده و گیرنده است. راه دیگر، تهیه راهکاری برای همزمانی، مبتنی بر سیگنال انتقال یافته است. این کار را می‌توان با یک کدگذاری مناسب انجام داد.
• تشخیص خطا: ما در فصل بعدي انواع تکنیک‌های تشخیص خطا را ملاحظه خواهیم کرد و نشان خواهیم داد که این کار از جمله مسئولیت‌های لایه منطقی بالای سطح سیگنالینگ است که آن را به نام کنترل ارتباط داده می‌شناسیم. در هر صورت داشتن قابلیت تشخیص خطا در طرح کدگذاری سیگنالینگ فیزیکی مفید است. در این صورت خطاها سریع شناسایی می‌گردند.
• تداخل سیگنال و امنیت پارازیت: کدهای خاصی، کارایی خوبی را در محیط پارازیتی از خود نشان می‌دهند. عملکرد معمولاً برحسب BER محاسبه می‌شود.
• هزینه و پیچیدگی: گرچه هزینه مدارهای منطقی دیجیتال رو به کاهش است، ولی نباید این فاکتور را فراموش کرد. به خصوص، هرچقدر سرعت سیگنالینگ برای رسیدن به سرعت انتقال داده بیشتر باشد، هزینه نیز بالاتر است. خواهید دید که برخی کدها به سرعت سیگنالینگ بزرگتر از سرعت واقعی انتقال داده نیاز دارند.

2-1-1 کدینگ تک قطبی (unipolar)

این نوع کدینگ بسیار ساده و ابتدایی است هر چند این نوع کدینگ امروز منسوخ شده ولی با نگاه به آن به مفاهیمی دست می‌یابید، که در فهم سایر کدینگ‌های پیجیده به شما کمک می‌کند. در این نوع کدینگ تنها از یگ سطح برای کدینگ استفاده می‌شود. بدین ترتیب که برای نمایش صفر و یا یک از یک سطح ولتاژ استفاده می‌شود. در واقع با یک ولتاژ مثبت یا منفی مقدار بیت یک عموماً نمایش داده می‌شود و با عدم ارسال و ولتاژ گیرنده، مقدار بیت ارسالی را صفر فرض می‌کند.

با کمی توجه دو مشکل عمده در این نوع کدینگ درک می‌کنیم، مولفه ی DCو همزمانی این مشکل موجب عدم تمایل استفاده از این کدینگ گردیده، در صورتی که متوسط انرژی وارده به یک رسانه صفر نباشد موجب ذخیره انرژی در آن رسانه می‌گردد. متوسط انرژی کدینگ unipolar نیز صفر نیست. در نتیجه یک جریان DCیا فرکانس صفر در این کدینگ به وجود می‌آید. این مولفه توسط رسانه هایی که که مولفه‌های DC را عبور نمی دهند منتقل نمی گردد و نتیجه کاملاً هویدا است.در عدم انتقال سیگنال پیام توسط رسانه ها مشکل همزمان سازی نیز وجود دارد. چرا که با تغییر سیگنالهای ارسالی گیرنده و فرستنده همزمانی خود را حفظ می‌کنند.به عبارتی کلاک‌های خود را با یگدیگر سنکرون می‌کنند.

در این نوع کدینگ تغییر سیگنال مناسب با بیت‌های ارسالی است. وتوالی در یک ها یا صفرهای ارسالی موجب عدم تغییر سیگنال برای مدت طولانی (ازدید همزمانی) خواهد شد. در نتیجه احتمال همزمانی فرستنده و گیرنده و گم کردن شروع و پایان بیت ها توسط گیرنده بسیار بالا خواهد بود.

2-1-2کدینگ قطبی (polar)

جوید. لذا در اغلب فرم‌های کدینگ قطبی (polar) مولفه یDC پایینی دارند. هر چند انواع مختلفی از کدینگ وجود دارد. اما ما تنها به سه نوع آن می‌پردازیم.در شکل 2-3 انواع کدینگ قطبی polar ارائه شده است.

 

 

 

شکل2-3انواع کدینگ polar (nonreturn to zero)

نوع NRZ خود به دو شکل NRZ-L , NRZ-I تقسیم می‌شود.

2-4 طیف چگالی طرح‌های مختلف کد گزاری

کدهای NRZ برای مهندسین ساده ترین است و به علاوه، می‌تواند پهنای باند بهینه را اختیار نماید. آخرین خاصیت در شکل 2-4 تشریح شده چگالی طیفی انواع طرح‌های کدگذاری را مقایسه می‌کند. در شکل، فرکانس به سرعت انتقال داده نرمالیزه شده است. همان طور که

دیده می‌شود، بخش عمده انرژی سیگنال با سرعت 9600 bps باشد، بخش عمده انرژی بین dc و 4800Hz واقع است.

محدودیت اصلی سیگنال‌های NRZ وجود مولفه dc و عدم توانایی در هماهنگی است. برای تصور مسئله آخر، فرض کنید که با رشته ای طویل از 1 ها و 0 ها برای NRZI، خروجی طی زمانی طولانی ولتاژ ثابتی خواهد بود. تحت این شرایط هر انحرافی بین زمانبندی فرستنده و گیرنده موجب گم شدن همگامی آن دو می‌گردد.

به دلیل سادگی و پاسخ فرکانس نسبتاً پایین، کدها معمولاً برای ضبط مغناطیس دیجیتال به کارمی رود. این کدها بیش از دوسطح سیگنال را به کار می‌برند. در هر حال محدودیت‌های آن ها باعث شده است تا برای کارهای انتقال سیگنال جذابیت نداشته باشند.

شکل دیگری از NRZ، به نام NRZI (برگشت ناپذیر به0 با تغییر 1 ها) است. همانند NRZ-L، روش NRZI در بر گیرنده پالس با ولتاژ ثابت برای بازه زمانی یک بیت است. خود داده ها به صورت وجود (حضور) و عدم وجود (غیاب) گذر سیگنال در آغاز بازه زمان بیت کدگذاری می‌شوند. هر گذر در آغاز بازه زمان بیت (بالا به پایین یا برعکس) بیانگر یک 1 دودویی برای آن زمان است. اگر کدگذاری نباشد، 0 دودویی را داریم.

NRZI مثالی از کدگذاری تفاضلی است. در کدگذاری تفاضلی، اطلاعات ارسالی برحسب تغییرات بین عناصر متوالی سیگنال است و نه خود عناصر سیگنال. به طور کلی کدگذاری بیت جاری چنین تعیین می‌شود: اگر بیت جاری 0 دودویی باشد، آن گاه بیت جاری مثل بیت قبلی با همان سیگنال کدگذاری می‌شود. اگر بیت جاری 1 باشد، آن گاه بیت جاری با سیگنال متفاوتی نسبت به بیت قبل، کدگذاری می‌گردد. یکی از مزایای کدگذاری تفاضلی این است که در حضور پارازیت بهتر است گذر از حالت فعلی را شناسایی نماییم تا این که آن را با ولتاژ آستانه مقایسه کنیم. مزیت دیگر این است که با یک طرح انتقال پیچیده، حس پلاریته سیگنال به راحتی از دست می‌رود. مثلاً در یک خط چند زوج سیم تابیده، اگر سر سیم ها به یک دستگاه به طور اتفاقی عوض شود، همه 1 ها و 0 ها برای NRZ-L معکوس می‌گردد. این اتفاق با کدگذاری تفاضلی هرگز اتفاق نمی افتد.

در کدینگ NRZ-L سطح سیگنال به نوع بیت‌های ارائه شده وابسته است.عموماًبا ولتاز مثبت بیت صفر و با ولتاژ منفی بیت یک را ارسال می‌کنند.

اگر پیام شامل بیت‌های متوالی یک یا صفر باشد امکان عدم همزمانی گیرنده و فرستنده وجود خواهد داشت.

در نوع NRZ-Lتغیر سطح ولتاژ نشانگر بیت یک خواهد بود. در نتیجه اگر تغییر در سطح سیگنال وجود نداشته باشد بیت صفر رامعنی خواهد داد.

در شکل 2-5 a,b این کدینگ ها با رسم شکل تشریح شده اند.

 

شکل 2-5

در کدینگ RZ در وسط فاصله بیت یک تغییر سطح سیگنال خواهیم داشت. بدین ترتیب که برای ارسال یک ولتاژ مثبت به صفر می‌رسد و برای ارسال صفر از ولتاژمنفی به صفر می‌رسد. (البته عکس آن نیز ممکن است) این تغیر از سطح منفی به صفر یا مثبت به صفر در وسط زمان ارسال به بیت انجام می‌گیرد. در شکل 2-6 این موضوع به تصویر کشیده شده است.

0 1 0 1 1

شکل 2-6 كدينگ RZ

شاید بتوان گفت بهترین گزینه برای حل مشکل همزمانی استفاده از کدینگ قطبی است.در این نوع کدینگ از هر دو سطح سیگنا ل برای هر یک از بیت‌های صفر و یک استفاده می‌شود. در نوع منجستر برای بیت صفر و یک،یک تغیر سطح ولتاژ در نظر گرفته می‌شود. ولی در نوع منجستر دیفرانسیلی تغیر سطح سیگنال بعنوان بیت صفر و عدم تغیر به مفهوم بیت یک خواهد بود (ویا عکس آن !).

بعلت وجود تغیر در وسط فاصله بیت همزمانی به خوبی قابل انجام است. ضمن اینکه متوسط انرژی سیگنال نیز صفر است.

دوفازی

مجموعه ی کد کردن دیگری با عنوان دو فاز دسته بندی شده اند که بر محدودیت‌های کدهای NRZ غلبه می‌نمایند. دو مورد از آن ها تکنیک‌های منچستر و منچستر تفاضلی است. که به طور متداول استفاده می‌شوند.

در کد منچستر، در میانه پریود هر بیت گذری وجود دارد. گذر میان بیتی هم به عنوان یک راهکار ساعت و هم به عنوان داده عمل می‌نماید.تغییر حالت از پایین به بالا، نشان دهنده 1 و تغییر حالت از بالا به پایین به معنی 0 است. در منچستر تفاضلی، گذر میان بیتی فقط برای تهیه ساعت زنی به کار می‌رود. کد گذاری یک 0 باگذری در آغاز بازه بیت صورت می‌گیرد و 1 با عدم رخداد و گذر در آغاز پریود بیت معین می‌گردد. منچستر تفاضلی این مزیت را هم دارد که از کد گذاری تفاضلی استفاده می‌کند.

شکل 2-7 سرعت بروز خطای تئوری برای طرح‌های مختلف کد گزاری

همه تکنیک‌های دوفازی حداقل به یک گذر در هر زمان بیت نیاز دارد و ممکن است دو گذر داشته باشد. بنابراین حداکثر سرعت مدولاسیون دو برابرNRZ است. این بدان معنی است که پهنای باند لازم به نسبت بزرگتر است. از طرف دیگر طرح‌های دوفازی چندین مزیت دارند:

• همگامی: چون در حین هر زمان بیت گذر قابل پیش بینی وجود دارد، گیرنده می‌تواند در آن گذر همگام (همزمان) شود. به این دلیل کدهای دوفازی به عنوان کدهای خود ساعت شناخته می‌شوند.
• بدون مولفه dc: کدهای دوفاز مولفه dc ندارند. که این خود منتهی به مزایایی خواهد شد که قبلاً راجع به آن ها صحبت کردیم.
• تشخیص خطا: غیاب یک گذر مورد انتظار برای تشخیص خطاها می‌تواند به کار رود. پارازیت روی خط، باید سیگنال را قبل و بعد از گذر تغییر دهند تا باعث خطای آشکار نگردند.

2-1-3کدینگ دو قطبی bipolar

در این روش کدینگ از سه سطح ولتازمثبت،منفی و صفر (مانند RZ) برای ارسال بیت ها استفاده می‌شود. از سطح صفر برای ارسال بیت صفر واز سطوح مثبت و منفی بطور متوالی جهت ارسال یک استفاده می‌شود.

سه نوع متداول این نوع کدینگ شامل HDB3,B8ZS,AMI می‌باشد.کدینگAMIساده ترین(Alverternate mark inversion) نوع کدینگ دو قطبی(Bipolar) است.بدین ترتیب که برای ارسال بیت صفر از سطح ولتاز صفر و برای ارسال یک ا ز سطوح مثبت و منفی بطور متوالی استفاده می‌شود.

0 1 1 0 1 0 1

شکل 2-8 کدینگ AMI

این کدینگ نمایش داده شده است.این کدینگ هنگام ارسال صفرهای زیاد با مشکل سنکرون کردن گیرنده و فرستنده مواجه می‌شود و برای حل این مشکل دو روش HDB3,در آمریکای شمالی و روشB8ZS در اروپا ارائه گردید.

روش B8ZS تفاوتی با روش AMIندارد. مگر هنگامی که بیش از هشت بیت صفر متوالی در پیام مشاهده شود. در این حالت برای سنکرون کردن سیستم بسته به علامت پالس قبل از ارسال صفر ها،بیت پنجم را هم علامت بیت یک قبل از صفرها و سپس یک پالس معکوس، یک پالس صفر سپس پالس هم علامت پالس قبلی و در نهایت پالس معکوس ارسال می‌شود.

این عملیات در شکل عددی2-9ترسیم شده است.

 

[1]Entity

[2]Codec

[3]Encryption

[4]Baseband

[5]multipelexing

[6]uuipolar

[7]polar

[8]duration

[9]buad

[10]mark

[11]space