Файл: Методы кодирования данных.pdf

В черно-белых изображениях для точки достаточно указать "степень серости" – одну из 256 градаций серого цвета. Для этого выделяется 1 байт (8 бит).

Цветные иллюстрации требуют больше данных. Чтобы закодировать информацию о цвете точки, его представляют в виде композиции трех базовых цветов: красного, зеленого и синего. Это модель Red-Green-Blue – RGB. Кодирование одной точки цветного изображения требует 24 разрядов – по одному байту (8 бит) для каждой составляющей.

Векторная графика

Изображение может быть описано и по-другому. Для этого оно разбивается на элементарные фигуры – отрезки, дуги, круги. Каждая часть может быть описана с помощью математических формул. Так, круг представляется совокупностью координаты центра и радиуса окружности. Такой способ описания графики называется векторным.

1.3 Общие понятия кодирования и декодирования

Процесс передачи информации между человеком и компьютером, несколькими компьютерами либо несколькими людьми, происходит с помощью различных форм.

Люди общаются между собой на понятном для них языке, используя при этом буквенный алфавит. Для восприятия компьютером информации, передаваемой человеком, нужно язык человека преобразовать в язык, понятный компьютеру. Другими словами, произвести её кодирование.

Таким образом, кодирование – это процесс, при котором происходит трансформация информации одной системы знаков в другую.

Декодирование, наоборот, трансформирует закодированную первоначальную информацию в исходную форму, понятную человеку. Это обратный кодированию процесс. Он известен уже давно.

Как пример постоянного декодирования можно привести азбуку Морзе. Она передаёт сообщения кодами. Чтобы их можно было прочесть, нужно выполнить преобразования кода в язык, понятный человеку, то есть в слова.

Кодирование информации производится не только на компьютере, но и на всей электронной технике. К ней относятся и смартфоны, и планшеты, и ноутбуки, и прочие устройства. Для преобразования в них информации используется двоичный код, состоящий из двух символов – «0» и «1».

Сегодня известно множество кодов, и у каждого их них есть свой алфавит. Вся вводимая в компьютер информация кодируется. Чтобы человек ни делал (писал, рисовал, создавал файлы, играл), всё превращается в компьютере в определённый набор из нолей и единиц.

Для того, чтобы закодированная информация могла появиться на экране компьютера в понятном человеку виде, в системе проводится декодирование. Числовая последовательность преобразуется в понятные для восприятия человека буквы, цифры и знаки. Оба процесса, кодирование и декодирование, происходят мгновенно, за доли секунды.

Сегодня для кодирования информации в памяти компьютеров используют двоичный код. Это самый простой способ кодирования. Специальные программы преобразуют информацию в числовую последовательность и хранят её в памяти компьютера. При необходимости вывести её на экран, трансформируют в форму, понятную нам^[5].

Чтобы представить слова, цифры и символы в числовой последовательности, используются специальные таблицы перевода. В них каждой букве латиницы, цифре и символу соответствует определённый числовой ряд из «0» и «1». В таблице можно увидеть, что двоичный код содержит 8 разрядов.

Но для преобразования информации из одной системы языков в другую существует алфавит, состоящий из 256 символов. Он считается достаточным. Значит, у каждого символа свой десятичный код от 0 до 256, что соответствует двоичному коду от 00000000 до 11111111. Таким образом, любую информацию можно представить в виде символов.

Любой человек может, пользуясь таблицей, закодировать какую-либо фразу и посмотреть, как она будет выглядеть в компьютере. Программы, которые проводят кодирование и декодирование информации, называются кодировщиками.

Таблица кодирования символов ASCII относится к международным стандартам для ПК. Она восьмиразрядная. Это значит, что один символ занимает объём памяти равный 1 байту.

В кодировочной таблице символы, имеющие порядковые номера от 0 до 31, относят к управляющим. С их помощью происходит управление процессами, которые преобразуют текстовую информацию для вывода её на экран. Номера от 32 до 127 считаются стандартными, или английскими. Пробел — это просто пустота, но он также закодирован. В таблице его номер 32.

Номера от 128 до 255 принято считать альтернативными или русскими. Это вторая половина таблицы. Во второй её половине 128 кодов, а начинается она с 10000000 и заканчивается 11111111. Эта часть таблицы кодирования имеет название – кодовая страница. В ней размещают алфавиты, которые отличаются от латиницы, поэтому у неё множество вариантов.

В таблице кодов цифры размещены от меньшего к большему, а буквы – в алфавитном порядке.

Самая используемая кодировка, которую применяют в большинстве случаев кодировщики, Microsoft Windows. Её сокращённое название СР 1251. Кодирование символов происходит по международным стандартам. Иначе невозможно было бы пользоваться электроникой, купленной в другой стране.

В международной системе кодирования символов есть 16-ти разрядная система кодировки – Unicode. Один символ в этой системе занимает объём памяти в 2 байта. Это больше в 2 раза, чем в системе кодировки ASCII. Такой факт, безусловно, является недостатком.

Но зато символов эта система содержит гораздо больше – 65536. В Unicode включены все известные и неизвестные алфавиты во всём мире. Она содержит огромное количество всевозможных символов, относящихся к математике, химии, физике, музыке и т.д.

Если при переносе информации, написанной русским языком, с одного компьютера на другой на экране мы видим что-то несуразное, это говорит о том, что использовались различные кодировки символов.

1.4 Методы кодирования данных

Кодирование — это процесс преобразования данных или заданной последовательности символов, символов, алфавитов и т. Д. В определенный формат для защищенной передачи данных. Декодирование — это обратный процесс кодирования, который заключается в извлечении информации из преобразованного формата.

Кодирование — это процесс использования различных комбинаций уровней напряжения или тока для представления единиц и нулей цифровых сигналов в линии передачи.

Распространенными типами кодирования линий являются униполярный, полярный, биполярный и манчестерский.

Метод кодирования данных подразделяется на следующие типы в зависимости от типа преобразования данных.

Аналоговые данные для аналоговых сигналов. К этой категории относятся методы модуляции, такие как амплитудная модуляция, частотная модуляция и фазовая модуляция аналоговых сигналов.

Аналоговые данные для цифровых сигналов. Этот процесс можно назвать оцифровкой, которая осуществляется с помощью импульсной кодовой модуляции (PCM). Следовательно, это не что иное, как цифровая модуляция. Как мы уже обсуждали, выборка и квантование являются важными факторами в этом. Дельта-модуляция дает лучшую производительность, чем PCM.

Цифровые данные в аналоговые сигналы . Методы модуляции, такие как амплитудная манипуляция (ASK), частотная манипуляция (FSK), фазовая манипуляция (PSK) и т. Д., Подпадают под эту категорию. Они будут обсуждаться в последующих главах.

Цифровые данные в цифровые сигналы — это в этом разделе. Есть несколько способов отобразить цифровые данные на цифровые сигналы. Некоторые из них:

- аналоговые данные для аналоговых сигналов. К этой категории относятся методы модуляции, такие как амплитудная модуляция, частотная модуляция и фазовая модуляция аналоговых сигналов.

- аналоговые данные для цифровых сигналов. Этот процесс можно назвать оцифровкой, которая осуществляется с помощью импульсной кодовой модуляции (PCM). Следовательно, это не что иное, как цифровая модуляция. Как мы уже обсуждали, выборка и квантование являются важными факторами в этом. Дельта-модуляция дает лучшую производительность, чем PCM.

- цифровые данные в аналоговые сигналы . Методы модуляции, такие как амплитудная манипуляция (ASK), частотная манипуляция (FSK), фазовая манипуляция (PSK) и т. Д., Подпадают под эту категорию. Они будут обсуждаться в последующих главах.

- цифровые данные в цифровые сигналы — это в этом разделе. Есть несколько способов отобразить цифровые данные на цифровые сигналы.

Невозврат в ноль (NRZ)

Коды NRZ имеют 1 для высокого уровня напряжения и 0 для низкого уровня напряжения. Основное поведение кодов NRZ состоит в том, что уровень напряжения остается постоянным в течение битового интервала. Конец или начало бита не будут указываться, и он будет поддерживать одно и то же состояние напряжения, если значение предыдущего бита и значение текущего бита совпадают.

Если рассмотрен вышеприведенный пример, поскольку имеется длинная последовательность постоянного уровня напряжения, и тактовая синхронизация может быть потеряна из-за отсутствия битового интервала, приемнику становится трудно различать 0 и 1.

Есть два варианта в NRZ, а именно — NRZ — L (NRZ — УРОВЕНЬ)

Полярность сигнала изменяется, только когда входной сигнал изменяется с 1 на 0 или с 0 на 1. Он такой же, как NRZ, однако первый бит входного сигнала должен иметь изменение полярности.

NRZ — I (NRZ — INVERTED)

Если 1 появляется во входящем сигнале, то происходит переход в начале битового интервала. Для 0 во входящем сигнале нет перехода в начале битового интервала.

Коды NRZ имеют недостаток , заключающийся в том, что синхронизация часов передатчика с часами приемника полностью нарушается, когда есть строка 1 с и 0 с . Следовательно, должна быть предусмотрена отдельная линия часов.

Уровень сигнала проверяется дважды для каждого бита, как в начале, так и в середине. Следовательно, тактовая частота вдвое превышает скорость передачи данных, и, таким образом, частота модуляции также удваивается. Часы взяты из самого сигнала. Ширина полосы, необходимая для этого кодирования, больше.

Существует два типа двухфазного кодирования.

- Бифазный Манчестер

- Дифференциальный Манчестер

Бифазный Манчестер

В этом типе кодирования переход выполняется в середине битового интервала. Переход для результирующего импульса происходит от высокого к низкому в середине интервала для входного бита 1. В то время как переход от низкого к высокому для входного бита 0 .

Дифференциальный Манчестер

В этом типе кодирования всегда происходит переход в середине битового интервала. Если в начале битового интервала происходит переход, то входной бит равен 0 . Если в начале битового интервала перехода не происходит, то входной бит равен 1 .

На следующем рисунке показаны формы сигналов кодирования NRZ-L, NRZ-I, двухфазного Манчестера и дифференциального Манчестера для различных цифровых входов.

Рис.1 - Формы сигналов кодирования NRZ-L, NRZ-I, двухфазного Манчестера и дифференциального Манчестера

Блочное кодирование

Среди типов блочного кодирования известны следующие: кодирование 4B / 5B и кодирование 8B / 6T. Количество битов обрабатывается по-разному, в обоих этих процессах.

4B / 5B Кодировка

В манчестерском кодировании для отправки данных требуются часы с двойной скоростью, а не кодирование NRZ. Здесь, как следует из названия, 4 бита кода отображаются с 5 битами с минимальным количеством 1 бит в группе.

Проблема синхронизации часов в кодировании NRZ-I устраняется путем назначения эквивалентного слова из 5 битов вместо каждого блока из 4 последовательных битов. Эти 5-битные слова предопределены в словаре.

Основная идея выбора 5-битного кода состоит в том, что он должен иметь один ведущий 0 и не более двух конечных 0 . Следовательно, эти слова выбираются так, что в каждом блоке битов происходят две транзакции.

8B / 6T Кодировка

Мы использовали два уровня напряжения для передачи одного бита по одному сигналу. Но если мы используем более 3 уровней напряжения, мы можем отправлять больше битов на сигнал.

Например, если 6 уровней напряжения используются для представления 8 битов в одном сигнале, то такое кодирование называется кодированием 8B / 6T. Следовательно, в этом методе мы имеем целых 729 (3 ^ 6) комбинаций для сигнала и 256 (2 ^ 8) комбинаций для битов.

Эти методы в основном используются для преобразования цифровых данных в цифровые сигналы путем их сжатия или кодирования для надежной передачи данных.

Глава 2 Основные примеры кодирования данных

Серийная цифровая связь стала довольно популярной. Существует много разновидностей: среди стандартных интерфейсов на уровне плат у нас есть UART, SPI и I2C. «Цифровая» связь также может быть достигнута с помощью аналоговых сигналов. Одним из примеров является линия радиочастотной передачи данных, которая использует изменения аналоговой амплитуды, частоты или фазы для беспроводной передачи двоичных данных. Также есть высокоскоростные дифференциальные интерфейсы, такие как последовательные линии связи на основе LVDS или USB.