по информатике программа для домашней видеостудии «Ulead Video Studio 8» (стр. 5 из 13)

Рис. 2.2.2. Система коммуникаций с использованием кодово-импульсной модуляции (pcm)

Шаг квантования в АЦП должен быть много меньше диапазона вариации входного сигнала. Число уровней квантования n выбирается из соображений минимизации искажений сигнала и повышения уровня s/n. При разумных предположениях (биполярность сигнала (+V -V), однородность распределения уровня сигнала в рабочем диапазоне, ошибка квантования не более S/2, где S шаг квантования, и т.д.) [S/N]_db = 10 log₁₀(2²ⁿ) = 6n (N - шум квантования при этом равен S²/12). Это означает, что при 2ⁿ уровнях квантования и при условии, что входной сигнал может варьироваться во всем рабочем диапазоне АЦП, отношение сигнал-шум (S/N), связанное с самим процессом квантования, будет равно 6n при n=8 это составит 48 дБ). Отсюда следует известное значение относительного расстояния между уровнями квантования, равное 6 дБ. Звуковой сигнал может иметь динамический диапазон 40 дБ, что создает определенные проблемы, которые преодолеваются путем прямого и обратного логарифмического преобразования (см. рис. 2.4.1).

Типичный кадр данных в асинхронном канале начинается со стартового бита, за которым следует 8 битов данных. Завершается такой кадр одним или двумя стоп-битами. Стартовый бит имеет полярность противоположную пассивному состоянию линии и переводит приемник в активное состояние. Пример передачи такого кадра показан на рис. 2.2.3.

Рис. 2.2.3. Пример передачи кадра в асинхронном режиме

Одним из способов обеспечения надежной синхронизации является применение в приемнике частоты, например, в 8 раз больше частоты следования данных. При этом стробирование данных может производиться примерно в середине сигнала бита (см. рис. 2.2.4).

Рис. 2.2.4. Схема синхронизации и стробирования с 8-кратной тактовой частотой приемника

Начальный и стоп-биты на каждый байт данных снижают пропускную способность канала и по этой причине используются только для низких скоростей обмена. Увеличение же длины блока данных приводит к ужесточению требований к точности синхронизации. При использовании синхронного метода передачи необходимы специальные меры для выделения кадра в общем потоке данных. Для решения этой задачи используется специальная сигнатура. Если такая последовательность встретится внутри кадра, она видоизменяется путем ввода в нее двоичных нулей (bit stuffing). Синхронный приемник нуждается в синхронизирующем сигнале, передаваемом передатчиком. Обычно это реализуется путем введения определенного вида кодирования сигнала, например, биполярного кодирования. В этом случае используется три уровня сигнала: +v соответствует логической 1; -v – логическому нулю, а 0 вольт логическому нулю или единице. Пример такого типа кодирования показан на рис. 2.2.5.

Рис. 2.2.5. Пример биполярного кодирования сигнала (схема RZ – return-to-zero)

Другой разновидностью такого рода кодирования является использование манчестерского кода. В этой схеме логической единице и нулю соответствует не уровни напряжения, а перепады. Так логической единице поставлен в соответствие переход с низкого уровня на высокий, а логическому нулю – с высокого на низкий (схема NRZ – non-return-to-zero). Пример представления сигнала с использованием манчестерского кода показан на рис. 2.2.6.

Рис. 2.2.6. Кодирование сигнала с использованием манчестерского кода.

Манчестерский код достаточно неэффективно использует пропускную способность канала. Оба описанные выше кода требуют удвоения полосы для передачи данных. Этого можно избежать, используя схему цифровой фазировки DPLL - Digital Phase Locked Loop). Эта схема предполагает применение кодирования NRZI (non-return-zero-inverted). Здесь сигнал сначала кодируется с использованием кода NRZ и только затем последовательность преобразуется в NRZI. В процессе такого преобразования логический нуль из NRZ вызывает определенную модификацию исходного кода, в то время как логическая единица не приводит ни к каким вариациям. Здесь создаются условия, при которых количество переходов 0/1 и 1/0 в единицу времени достаточно велико, чтобы обеспечить надежную синхронизацию. Схема NRZI кодирования с использованием DPLL проиллюстрирована на рис. 2.2.7.

Рис. 2.2.7. NRZI-кодирование

Симметричная скрученная пара проводов с волновым сопротивлением 120 Ом обеспечивает пропускную способность 2048 Мбит/с (система кодирования HDB3, длина проводов ~100м), а 100 Ом - 1544 Мбит/с (амплитуда сигналов 3 в, система кодирования B8ZS). Номинальное значение перепада обычно составляет 750 мВ.

Наиболее простая схема передача данных путем представления <0> и <1> с помощью двух уровней напряжения не применяется из-за того, что линия обычно используется для подачи на оконечное (терминальное) оборудование. Проблема может быть решена, если <0> характеризуется 0 вольт (приращение над постоянным уровнем), а <1> попеременно сигналами положительной и отрицательной полярности (AMI - Alternate Mark Inversion). Такая схема создает проблему синхронизации, когда подряд следует большое число нулей. Необходимо, чтобы было достаточное число переходов 0->1 и 1->0 в единицу времени. Существует также схема ADI (Alternate Digit Inversion), где инверсия полярности производится для каждого из передаваемых двоичных разрядов. Но эта схема менее эффективна.

По этой причине система кодирования AMI была модифицирована в HDB3 (High Density Bipolar 3). Цифра 3 указывает на максимально возможное число последовательных нулей в кодовой последовательности. AMI требует, чтобы <1> передавались попеременно сигналами противоположной полярности, так последовательность 11011 должна быть передана как +-0+-. HDB3 заменяет любую группу из 4 нулей последовательностью из 3 нулей, за которой следует нарушение последовательности отображения единиц. Таким образом, последовательность 11000001 будет отображена как +-000-0+ (возможен инверсный вариант, когда символы + заменяются на - и наоборот). Дальнейшего улучшения балансировки сигнала можно достичь, если заменить код, содержащий 4 нуля подряд, последовательностью b00v (b - обычный биполярный сигнал, v - нарушение последовательности). В США используют схему кодировки B8ZS (Bipolar with 8 Zeros Substitution), где 8 нулей кодируются как 00b0vb0v. В 1986 году ansi принял решение о введение схемы кодирования 2B1Q (2 Binary into 1 Quaternary). При этой схеме каждая пара бит преобразуется в четверичные элементы +3 +1 -1 -3. Код синхронизации (SW - Synchronization Word) при этом содержит 9 четверичных элементов, повторяющихся каждые 1.5 мс:

+3 +3 -3 -3 -3 +3 -3 +3 +3 (+3 соответствует +2.5 В)

В Германии используется схема кодировки 4B3T (4 двоичных разряда кодируются в 3 циклических кода).

Двоичная информация передается блоками, обычно зазываемыми кадрами (или пакетами). В рамках системы 2B1Q для передачи 144 кбит/с требуется частота модуляции не менее 72 кбод. На практике для передачи кадров и выполнения функций управления необходимо создать дополнительные виртуальные каналы. Это доводит требуемую частоту модуляции до 80 кбод. Сводные данные по наиболее популярным схемам кодирования приведены в табл. 2.2.1.

Таблица 2.2.1.

Название метода	Расшифровка	Описание
1B2B	Один бит исходной последовательности кодируется комбинацией из 2 бит половинной длительности
B3ZS B6ZS B8ZS	bipolar with 3/6/8 zero substitution	Биполярный код с заменой 000/000000/00000000 на последовательности 00v/0vb0vb/000vb0vb (или b0v для B3ZS)
HDB2 (/3)	High density bipolar code of order 2 (/3)	Биполярный код высокой плотности второго (третьего) порядка. Эквивалентен коду с возвратом к нулю (RZ) и с инверсией для логических 1. Последовательность 000 (соответственно 0000) заменяется на 00v или b0v (соответственно 000v или b00v). Число b сигналов между v-сигналами всегда нечетно. В результате возникает трехуровневый код.
CMI	coded mark inversion	Двухуровневый двоичный код (класса 1B2B) без возвращения к нулю. Используется инверсия полярности для каждой логической 1 (единице ставится в соответствие 11 или 00), а для каждого логического нуля вводится смена полярности в середине интервала.

Кадр содержит 120 пар бит (quats), что соответствует 240 бит, 8 кадров образуют мультифрэйм. Первый кадр мультифрэйма выделяется путем посылки Inverted Synchronization Word (ISW). В конце каждого кадра всегда присутствуют специальные биты, которые служат для целей управления (бит активации, бит холодного старта, биты состояния питания, биты управления синхронизацией и т.д.). Структура кадра выглядит следующим образом:

Биты	quats	Канал
127-134	64-67	b
135-142	68-71	b
143-144	72	d
145-152	73-76	b
153-160	77-80	b
161-162	81	d
163-170	82-85	b
171-178	86-89	b
179-180	90	d
181-188	91-94	b
189-196	95-98	b
197-198	99	d
199-206	100-103	b
204-214	104-107	b
215-216	108	d
217-224	109-112	b
225-232	113-116	b
233-234	117	d
235-240	118-120	Контроль и управление

Кадры следуют каждые 1.5мс. Здесь нужно следить за тем, чтобы не было корреляции между сигналами, следующими в противоположных направлениях. Для этого используются скремблеры.