Файл: Методы кодирования данных.pdf

Несмотря на тривиальную очевидность такого подхода, простой механический переход на данную систему долгое время сдерживался из-за недостаточных ресурсов средств вычислительной техники (в системе кодирования UNICODE все текстовые документы автоматически становятся вдвое длиннее). Во второй половине 90-х годов технические средства достигли необходимого уровня обеспеченности ресурсами, и сегодня мы наблюдаем постепенный перевод документов и программных средств на универсальную систему кодирования. Для индивидуальных пользователей это еще больше добавило забот по согласованию документов, выполненных в разных системах кодирования, с программными средствами, но это надо понимать, как трудности переходного периода.

Если рассмотреть с помощью увеличительного стекла черно-белое графическое изображение, напечатанное в газете или книге, то можно увидеть, что оно состоит из мельчайших точек, образующих характерный узор, называемый растром (рисунок 2).

Рисунок 2 – Метод кодирования графической информации, издавна

Поскольку линейные координаты и индивидуальные свойства каждой точки (яркость) можно выразить с помощью целых чисел, то можно сказать, что растровое кодирование позволяет использовать двоичный код для представления графических данных. Общепринятым на сегодняшний день считается представление черно-белых иллюстраций в виде комбинации точек с 256 градациями серого цвета, и, таким образом, для кодирования яркости любой точки обычно достаточно восьмиразрядного двоичного числа.

Для кодирования цветных графических изображений применяется принцип декомпозиции произвольного цвета на основные составляющие. В качестве таких составляющих используют три основные цвета: красный (Red, R), зеленый (Green, G) и синий (Blue, В). На практике считается (хотя теоретически это не совсем так), что любой цвет, видимый человеческим глазом, можно получить путем механического смешения этих трех основных цветов. Такая система кодирования называется системой RGB по первым буквам названий основных цветов.

Если для кодирования яркости каждой из основных составляющих использовать по 256 значений (восемь двоичных разрядов), как это принято для полутоновых черно-белых изображений, то на кодирование цвета одной точки надо затратить 24 разряда. При этом система, кодирования обеспечивает однозначное определение 16,5 млн различных цветов, что на самом деле близко к чувствительности человеческого глаза. Режим представления цветной графики с использованием 24 двоичных разрядов называется полноцветным (True Color).

Каждому из основных цветов можно поставить в соответствие дополнительный цвет, то есть цвет, дополняющий основной цвет до белого. Нетрудно заметить, что для любого из основных цветов дополнительным будет цвет, образованный суммой пары остальных основных цветов. Соответственно, дополнительными цветами являются: голубой (Cyan, С), пурпурный (Magenta, М) и желтый (Yellow, Y). Принцип декомпозиции произвольного цвета на составляющие компоненты можно применять не только для основных цветов, но и для дополнительных, то есть любой цвет можно представить в виде суммы голубой, пурпурной и желтой составляющей. Такой метод кодирования цвета принят в полиграфии, но в полиграфии используется еще и четвертая краска — черная (Black, К). Поэтому данная система кодирования обозначается четырьмя буквами CMYK (черный цвет обозначается буквой К, потому, что буква В уже занята синим цветом), и для представления цветной графики в этой системе надо иметь 32 двоичных разряда. Такой режим тоже называется полноцветным. (True Color).

Если уменьшить количество двоичных разрядов, используемых для кодирования цвета каждой точки, то можно сократить объем данных, но при этом диапазон кодируемых цветов заметно сокращается. Кодирование цветной графики 16-разрядными двоичными числами называется режимом HighColor.

При кодировании информации о цвете с помощью восьми бит данных можно передать только 256 цветовых оттенков. Такой метод кодирования цвета называется индексным. Смысл названия в том, что, поскольку 256 значений совершенно недостаточно, чтобы передать весь диапазон цветов, доступный человеческому глазу, код каждой точки растра выражает не цвет сам по себе, а только его номер (индекс) в некоей справочной таблице, называемой палитрой. Разумеется, эта палитра должна прикладываться к графическим данным — без нее нельзя воспользоваться методами воспроизведения информации на экране или бумаге (то есть, воспользоваться, конечно, можно, но из-за неполноты данных полученная информация не будет адекватной: листва на деревьях может оказаться красной, а небо — зеленым).

2.4 Виды кодирования данных

Цифровое кодирование (Digital Encoding), иногда не совсем корректно называемое модуляцией, определяет способ представления битов в физическом канале передачи данных. В этой статье мы рассмотрим различные варианты цифрового кодирования: от простого метода NRZ (Non Return to Zero без возврата к нулю) до гораздо более сложного HDB3 (High Density Bipolar 3 - биполярное кодирование с высокой плотностью, вариант 3).

Простейший метод NRZ используется в протоколах на базе интерфейса RS232, в сетях Ethernet применяется кодирование PE, а в телефонии используется алгоритм HDB3 (этот метод служит для кодирования сигналов в потоках E1 и E2). Выбор метода кодирования зависит от полосы канала связи, используемой кабельной системы, скорости передачи данных и других параметров.

При кодировании цифровых сигналов должны выполняться определенные требования:

1. Малая полоса цифрового сигнала для возможности передачи большого объема данных по имеющемуся физическому каналу.

2. Невысокий уровень постоянного напряжения в линии.

3. Достаточно высокие перепады напряжения для возможности использования сигнальных импульсов (переходов напряжения) для синхронизации приемника и передатчика без добавления в поток сигналов дополнительной информации.

4. Неполяризованный сигнал для того, чтобы можно было не обращать внимания на полярность подключения проводников в каждой паре.

Кодирование на двух нижних каналах характеризует метод представления информации сигналами, которые распространяются по среде транспортировки. Кодирование можно рассматривать как двухступенчатое. И ясно, что на принимающей стороне реализуется симметричное декодирование.

Логическое кодирование данных изменяет поток бит созданного кадра МАС-уровня в последовательность символов, которые подлежат физическому кодированию для транспортировки по каналу связи. Для логического кодирования используют разные схемы.

4B/5B — каждые 4 бита входного потока кодируются 5-битным символом. Получается двукратная избыточность, так как 24 = 16 входных комбинаций показываются символами из 25 = 32. Расходы по количеству битовых интервалов составляют: (5-4)/4 = 1/4 (25%). Такая избыточность разрешает определить ряд служебных символов, которые служат для синхронизации. Применяется в 100BaseFX/TX, FDDI.

8B/10B — аналогичная схема (8 бит кодируются 10-битным символом) но уже избыточность равна 4 раза (256 входных в 1024 выходных).

5B/6B — 5 бит входного потока кодируются 6-битными символами. Применяется в 100VG-AnyLAN. [21]

8B/6T — 8 бит входного потока кодируются шестью троичными (T = ternary) цифрами (-,0,+). К примеру: 00h: +-00+-; 01h: 0+-+=0; Код имеет избыточность 36/28 = 729/256 = 2,85. Скорость транспортировки символов в линию является ниже битовой скорости и их поступления на кодирования. Применяется в 100BaseT4.

Вставка бит — такая схема работает на исключение недопустимых последовательностей бит. Ее работу объясним на реализации в протоколе HDLC. Тут входной поток смотрится как непрерывная последовательность бит, для которой цепочка из более чем пяти смежных 1 анализируется как служебный сигнал (пример: 01111110 является флагом-разделителем кадра). Если в транслируемом потоке встречается непрерывная последовательность из 1, то после каждой пятой в выходной поток передатчик вставляет 0. Приемник анализирует входящую цепочку, и если после цепочки 011111 он видит 0, то он его отбрасывает и последовательность 011111 присоединяет к остальному выходному потоку данных. Если принят бит 1, то последовательность 011111 смотрится как служебный символ. Такая техника решает две задачи — исключать длинные монотонные последовательности, которые неудобные для самосинхронизации физического кодирования и разрешает опознание границ кадра и особых состояний в непрерывном битовом потоке.

Избыточность логического кодирования разрешает облегчить задачи физического кодирования — исключить неудобные битовые последовательности, улучшить спектральные характеристики физического сигнала и др. Физическое/сигнальное кодирование пишет правила представления дискретных символов, результат логического кодирования в результат физические сигналы линии. Физические сигналы могут иметь непрерывную (аналоговую) форму — бесконечное число значений, из которого выбирают допустимое распознаваемое множество. На уровне физических сигналов вместо битовой скорости (бит/с) используют понятие скорость изменения сигнала в линии, которая измеряется в бодах (baud). Под таким определением определяют число изменений различных состояний линии за единицу времени. На физическом уровне проходит синхронизация приемника и передатчика. Внешнюю синхронизацию не используют из-за дороговизны реализации еще одного канала. Много схем физического кодирования являются самосинхронизирующимися — они разрешают выделить синхросигнал из принимаемой последовательности состояний канала. [2, 17, 21]

Скремблирование на физическом уровне разрешает подавить очень сильные спектральные характеристики сигнала, размазывая их по некоторой полосе спектра. Очень сильные помеха искажают соседние каналы передачи. При разговоре о физическом кодировании, возможное использование следующие термины:

1. Транзитное кодирование — информативным есть переход из одного состояния в другое
2. Потенциальное кодирование — информативным есть уровень сигнала в конкретные моменты времени
3. Полярное — сигнал одной полярности реализуется для представления одного значения, сигнал другой полярности для — другого. При оптоволоконной транспортировке вместо полярности используют амплитуды импульса
4. Униполярное — сигнал одной полярности реализуется для представления одного значения, нулевой сигнал — для другого
5. Биполярное — используется отрицательное, положительное и нулевое значения для представления трех состояний
6. Двухфазное — в каждом битовом интервале присутствует переход из одного состояния в другое, что используется для выделения синхросигнала.

AMI – Alternate Mark Inversion (поочередная инверсия единиц)

Этот метод кодирования использует следующие представления битов:

• биты 0 представляются нулевым напряжением (0 В);
• биты 1' представляются поочередно значениями +V и -V.

Этот метод подобен алгоритму RZ, но обеспечивает в линии нулевой уровень постоянного напряжения.

Недостатком метода AMI является ограничение на плотность нулей в потоке данных, поскольку длинные последовательности 0 ведут к потере синхронизации.MAMI — Modified Alternate Mark Inversion, или же ASI — модифицированная схема AMI, импульсами чередующейся полярности кодируется 0, а 1 — нулевым потенциалом. Применяется в ISDN (S/T — интерфейсы). [21]

B8ZS — Bipolar with 8 Zero Substitution, схема аналогичная AMI, но для синхронизации исключает цепочки 8 и более нулей (за счет вставки бит).

HDB3 — High Density Bipolar 3, схема аналогичная AMI, но не допускает передачи цепочки более трех нулей. Вместо последовательности из четырех нулей вставляется один из четырех биполярных кодов.

Manchester encoding — двухфазное полярное/униполярное самосинхронизирующееся кодирование. Текущий бит узнается по направлению смены состояния в середине битового интервала: от -V к +V: 1. От +V к -V: 0. Переход в начале интервала может и не быть. Применяется в Ethernet. (В начальных версиях — униполярное).

Differential manchester encoding — двухфазное полярное/униполярное самосинхронизирующиеся код. Текущий бит узнается по наличию перехода в начале битового интервала, например, 0 — есть переход (Вертикальный фрагмент), 1 — нет перехода (горизонтальный фрагмент). Можно и наоборот определять 0 и 1.В середине битового интервала переход есть всегда. Он нужен для синхронизации. В Token Ring применяется измененная версия такой схемы, где кроме бит 0 и 1 определенны также два бита j и k. Здесь нет переходов в середине интервала. Бит К имеет переход в начале интервала, а j — нет.

Трехуровневое кодирование со скремблированием который не самосинхронизуется. Используются уровни (+V, 0, -V) постоянные в линии каждого битового интервала. При передаче 0 значения не меняются, при передаче 1 — меняются на соседние по цепочке +V, 0, -V, 0, +V и тд. Такая схема является усложнонным вариантом NRZI. Применяется в FDDI и 100BaseTX.

NRZ — Non-return to zero (без возврата к нулю), биполярная нетранзиктивная схема (состояния меняются на границе), которая имеет 2 варианта. Первый вариант это недифференциальное NRZ (используется в RS-232) состояние напрямую отражает значение бита. В другом варианте — дифференциальном, NRZ состояние меняется в начале битового интервала для 1 и не меняется для 0. Привязки 1 и 0 к определенному состоянию нету. [21]

NRZI — Non-return to zero Inverted, измененная схема NRZ. Тут состояния изменяются на противоположные в начале битового интервала 0, и не меняются при передаче 1. Возможна и обратная схема представления. Используются в FDDI, 100BaseFX.

RZ — Return to zero (с возвратом к нулю), биполярная транзитивная самосинхронизирующаяся схема. Состояние в определенный момент битового интервала всегда возвращается к нулю. Имеет дифференциальный/недифференциальный варианты. В дифференциальные привязки 1 и 0 к состоянию нету.