кодирование и декодирование сигналов
Кодирование и декодирование сигналов
В процессе кодирования амплитуда каждого квантованного по уровню АИМ отсчета представляется в виде двоичной последовательности, содержащей m символов.
Как говорилось выше, для качественной передачи телефонного сигнала при равномерном и неравномерном квантовании нужно иметь соответственно 4096 и 256 уровней квантования, т.е. необходимо использовать 12- и 8-разрядный двоичный код.
Код, формируемый в кодере, называется параллельным, если импульсные сигналы (1 и 0), входящие в состав m-разрядной кодовой группы, появляются на разных выходах кодера одновременно, причем каждому выходу кодера соответствует сигнал определенного разряда.
Код называется последовательным, если все сигналы, входящие в состав m-разрядной кодовой группы, появляются на одном выходе кодера поочередно со сдвигом по времени (обычно начиная со старшего по весу разряда). Параллельный код может преобразовываться в последовательный и наоборот.
Часто функции квантования и кодирования (соответственно декодирования и деквантования) выполняет одно устройство.
При кодировании с неравномерной шкалой квантования могут использоваться следующие способы:
На практике наиболее часто используется нелинейное кодирование.
При частоте дискретизации FД=8кГц (TД=125 мкс) и разрядности кода m=8 получаем скорость передачи сформированного ИКМ-сигнала 64 кбит/с, которая и является скоростью основного цифрового канала (ОЦК). Преобразование аналогового сигнала в сигнал ИКМ стандартизировано МСЭ-Т Рекомендацией G-711.
Устройства, в целом выполняющие преобразования аналоговых сигналов в цифровые и обратно, называются, соответственно, аналого-цифровыми (АЦП) и цифро-аналоговыми преобразователями (ЦАП).
Примеры построения ЦАП и АЦП приведены на рис. 13 и рис. 14 соответственно.
Передача информации
Содержание урока
1.3.1. Сигнал. Кодирование и декодирование
1.3.1. Сигнал. Кодирование и декодирование
Чаще всего передача информации осуществляется в форме сигналов.
Сигнал — это символ (знак), имеющий определённое смысловое значение согласно предварительной договорённости между источником и приёмником информации. Иными словами, обе стороны, участвующие в обмене информацией, должны понимать смысл используемых сигналов и располагать оборудованием для преобразования сигналов, доступных им для восприятия, в форму, требуемую для передачи при помощи выбранного носителя.
Пример 3 (рис. 1.9). При радиовещании происходят следующие преобразования сигналов:
• речь диктора (звуковые сигналы);
• электрические сигналы, полученные при преобразовании звуковых сигналов в микрофоне;
• радиосигналы, полученные при преобразовании электрических
• сигналов в радиопередатчике;
• электрические сигналы после преобразования радиосигналов в радиоприёмнике;
• звуковые сигналы после преобразования электрических сигналов в динамике радиоприёмника.
Рис. 1.9
Преобразование информации в форму сигналов называют кодированием.
Кодирование осуществляется в соответствии с некоторым набором (алфавитом) символов (знаков). Например, речь представляет собой информацию, закодированную при помощи звуков; письменный текст — это информация, закодированная при помощи букв и других символов; цифровая информация в компьютере закодирована при помощи двоичных нулей и единиц и т. д.
Обратное преобразование информации называют декодированием. Например, декодирование информации происходит при чтении текста или прослушивании речи собеседника.
Часто понятия «кодирование» и «декодирование» рассматривают в более узком, техническом смысле, подразумевая под кодированием процесс преобразования информации, форма представления которой доступна для восприятия человеком без использования технических устройств, в другую форму, удобную для передачи по используемому информационному каналу. Например, под кодированием понимается преобразование человеческой речи в электрические, а далее — в радиосигналы. Соответственно, под декодированием в этом случае понимается обратное преобразование информации из формы, используемой при передаче по информационному каналу, в форму, доступную для восприятия человеком, — например, из радио- и электрических сигналов в звуки музыки или речи.
Отдельной разновидностью кодирования и декодирования является шифрование и дешифрование. Они используются для того, чтобы защитить информацию от несанкционированного доступа к ней посторонних лиц, сделать информацию секретной. При шифровании и дешифровании используются такие коды и такие методы использования этих кодов, которые известны только источнику (отправителю) и приёмнику (получателю) информации. Например, при шифровании в качестве кодов могут использоваться обычные буквы русского алфавита, но переставленные местами по определённым правилам. Так, в шифре Цезаря каждая буква заменяется на другую, отстоящую от неё в алфавите на одно и то же фиксированное число позиций (рис. 1.10). Алфавит при этом считается замкнутым в кольцо.
Рис. 1.10
Следующая страница 1.3.2. Равномерные и неравномерные коды. Условие Фано
Cкачать материалы урока
Лекция 20. Кодирование и декодирование сигналов
3. Принципы преобразования параллельного кода в последовательный
В процессе кодирования амплитуда каждого квантованного по уровню АИМ отсчета представляется в виде двоичной последовательности, содержащей т символов (m-разрадной кодовой комбинации). Для определения структуры комбинации в простейшем случае нужно в двоичном коде записать амплитуду АИМ. отсчета Я аим, выраженную в шагах квантования.
На рис. 5.1 приведены временные диаграммы, поясняющие процесс кодирования при использовании пятиразрядного двоичного кода. Амплитуда отсчетов, поступающих на вход кодера, в данном случае может принимать значения в диапазоне # аим = =0—31 условных шагов квантования, а на выходе кодера формируется цифровой сигнал с ИКМ, представляющий собой последовательность пятиразрядных кодовых комбинаций.
Как было показано выше, для качественной передачи телефонных сигналов при неравномерном квантовании необходимо использовать восьмиразрядный код (т=8, а при равномерном—12-разрядный (т=12). На практике находят применение двоичные коды следующих типов: натуральный двоичный код, симметричный двоичный код, рефлексный двоичный код (код Грея).
Симметричный двоичный код в основном используется при кодировании двуполярных сигналов (например, телефонных). Структура кода и кодовая таблица, соответствующая данному коду. Для всех положительных отсчетов знаковый символ имеет значение 1, а для отрицательных 0. Для положительных и отрицательных отсчетов, равных по амплитуде, структуры кодовых комбинаций полностью совпадают (за исключением знакового разряда), т. е. код является симметричным. Например, максимальному положительному сигналу соответствует код 11111111, а максимальному отрицательному — 01111111. Абсолютное значение шага квантования 6=Ј/Orp/2 m
С помощью натурального двоичного кода можно кодировать и-двуполярные сигналы, обеспечив предварительно их смещение. В этом случае, очевидно, изменяется амплитуда кодируемых отсчетов, причем переход от амплитуды от* счета Нс> выраженной в шагах квантования, при использования симметричного кода к амплитуде этого же отсчета Я» при использовании натурального кода и наоборот можно осуществить следующим образом:
Натуральный и симметричный двоичные коды являются наиболее простыми. Как для натурального, так и для симметричного кода ошибка в одном из символов может привести к значительным искажениям сигнала. Если, например, в кодовой комбинации вида 11010011 ошибка произошла в пятом разряде, т. е. принята комбинация 11000011, то амплитуда отсчета будет меньше истинного значения на 2 4 =16 условных шагов квантования. Наиболее опасными, очевидно, будут ошибки в старших разрядах (Ре» Р;Ь
Рассмотрим принципы построения кодирующих и декодирующих устройств, которые могут быть линейными и нелинейными.
Линейным кодированием называется кодирование равномерно квантованного сигнала, а нелинейным — неравномерно квантованного сигнала.
Рис. 5.1. Принципы преобразования па* раллелыюго кода в последовательный (а) и
По принципу действия кодеры делятся на кодеры счетного типа, матричные» взвешивающего типа и др. В ЦСП чаще всего используются кодеры взвешивающего типа, среди которых простейшим является кодер поразрядного взвешивания (рис. 5.20), на выходах которого формируется натуральный двоичный код. Принцип работы таких кодеров заключается в уравновешивании кодируемых отсчетов суммой эталонных токов (напряжений) с определенными весами. Схема линейного кодера поразрядного взвешивания содержит восемь ячеек (при т=*8), обеспечивающих формирование значения соответствующего разряда (1 или 0). В состав каждой ячейки (за исключением последней, соответствующей младшему по весу разряду) входят схема сравнения СС (компаратор) и схема вычитания (СВ).
==466—-326=146 и т. д. В результате будет сформирована кодовая комбинация вида 10101110 (первый разряд — старший по весу).
При кодировании двуполярных сигналов в кодере необходимо иметь две схемы формирования эталонов (ФЭ) для кодирования положительных и отрицательных отсчетов.
Структурная схема линейного декодера взвешивающего типа представлена на рис. 5.2К Под воздействием управляющих сигналов, поступающих от генераторного оборудования, в регистр сдвига записывается очередная восьмиразрядная кодовая комбинация. После этого замыкаются только те ключи (Юн. Кл^), которые соответствуют разрядам, имеющим значение 1. В результате на вход сумматора от формирователя эталонных сигналов (ФЭ) по* ступают соответствующие эталонные сигналы, в результате чего на выходе сумматора формируется АИМ отсчет с определенной амплитудой.
Очевидно, что если в процессе передачи цифрового сигнала по линейному тракту в одном (или больше) разряде кодовой комбинации произойдет ошибка, то амплитуда отсчета на выходе декодера будет отличаться от истинного значения. Если, например, в комбинации 10101110 произойдет ошибка в Р&, г* е* на вход декодера поступит комбинация 10001110, то амплитуда отсчета на выходе декодера Яаим =12864-86 + 46 + 26^ 1426, т. е. на 32& меньше истинной амплитуды отсчета, равной 1746.
При построении кодеров и декодеров необходимо использовать ФЭ, формирующие набор эталонных сигналов, причем соотношение между значениями двух соседних эталонов равно 2 (16,26,46. 1286). Общая идея построения таких устройств заключается в использовании одного высокостабильного эталонного источника сигнала и цепочки схем, имеющих коэффициент передачи /(=1/2). Такие схемы обычно имеют вид матрицы, реализуемой на прецизионных сопротивлениях двух номиналов (R и 2R).
В современных 1ДСП применяются нелинейные кодирующие и декодирующие устройства (нелинейные кодеки)» обеспечивающие кодирование и декодирование сигналов с неравномерной шкалой квантования при восьмиразрядном коде (т—8). Для кодирования с неравномерной шкалой квантования могут использоваться следующие способы:
аналоговое компандирование, характеризующееся компрессией (сжатием) динамического диапазона сигнала перед линейным кодированием, и экспандированием (расширением) динамического диапазона сигнала после линейного декодирования;
нелинейное кодирование, характеризующееся кодированием сигнала в нелинейных кодерах» сочетающих функции аналого-цифрового преобразования и компрессора;
цифровое компандирование, характеризующееся кодированием сигнала в линейном кодере с большим числом разрядов с последующей нелинейной цифровой обработкой результата кодирования.
При аналоговом командировании (рис. 5.24) на входе линейного кодера (ЛК) и выходе линейного декодера (ЛД) включаются соответственно аналоговые компрессор (АК) и экспандер (АЭ), обеспечивающие соответствующее нелинейное преобразование аналогового сигнала (см. рис. 5.15).
|
|
Рис. 5.2. Принцип аналогового компанднровання 5.3. Нелинейный
В качестве базового элемента для построения АК и АЭ двуполярных сигналов может использоваться двухполюсник (рис. 5,25). С помощью резисторов обеспечиваются выбор нужного режима работы и выравнивание параметров схемы для положительных и отрицательных сигналов. Существенный недостаток данного способа заключается в том, что очень сложно добиться полностью взаимообратных амплитудных характеристик компрессора и экспандера, вследствие чего суммарная амплитудная характеристика системы компрессор-экспандер будет отличаться от линейной. Это неизбежно приведет к нелинейным искажениям передаваемых сигналов. Аналоговое компандирование использовалось на первых этапах развития ЦСП, а в настоящее время не применяется.
Наиболее часто в современных ЦСП используются нелинейные кодеки, для удобства реализации которых на цифровых схемах целесообразно отказаться от плавкой характеристики компрессии и заменить ее сегментированной характеристикой, представляющей собой кусочно-ломаную аппроксимацию плавной характеристики компрессии.
Приведена сегментированная А-характеристика компрессии для положительных сигналов (для области отрицательных значений сигнала она имеет аналогичный вид). Формально общее число сегментов на полной характеристике (для отрицательных и положительных сигналов) составляет 16, однако четыре центральных сегмента (по два в положительной и отрицательных областях) фактически образуют один сегмент, вследствие чего фактическое число сегментов равно 13. Поэтому такую характеристику называют характеристикой компрессии типа А = 87,6/13. Каждый нз сегментов характеристики содержит 16 шагов квантования, а их общее число равно 256 (по 128 для каждой полярности сигнала). При этом принята следующая нумерация сегментов Nc и шагов квантования Nm внутри каждого сегмента: ftfc=O, 1,2. 7 и ^ш=0,1,2, „., 15. Очевидно, что внутри каждого сегмента шаг квантования оказывается по стоянным, т. е. осуществляется равномерное квантование, а при переходе к сегменту с большим порядковым номером шаг квантования увеличивается в 2 раза, так как наклон сегмента уменьшается вдвое. Самый маленький шаг квантования (So) соответствует двум первым сегментам <А/с=0, 1) и оказывается равным
Таким образом, максимальный шаг квантования (в седьмом сегменте) 67=2*60, т. е. в 64 раза превышает минимальный шаг. Таким образом, коэффициент компандирования, определяемый как отношение наибольшого шага квантования к наименьшему, равен 2 е =64, а выигрыш в помехозащищенности для слабых сигналов равен 2(адЛ/(1+1пЛ))=24 дБ.
|
Рис 5 26 Характеристика компандирования типа 4=87,6/13
Hoмep сегмента | Структура кодовой хомбн- | Относительный интервал | Относительный шаг квантования |
начни PXYZABCD | изменения входного сигнала | •«/»or* | |
Р000 ABCD | 0—1/128 | 1/2048 | |
i | Р001 ABCD | 1/128-1/64 | 1/2048 |
РОЮ ABCD | 1/64—1/32 | 1/1024 | |
Р 01 1 ABCD | 1/32—1/16 | 1/512 | |
PI 00 ABCD | 1/16—1/8 | 1/216 | |
Р 1 0 1 ABCD | 1/8-1/4 | 1/128 | |
Р 1 1 0 ABCD | 1/4-J/2 | 1/64 | |
Pill ABCD | 1/2-1 | 1/32 |
символов кодовой комбинации. При этом можно выделить три следующих этапа:
формирование знакового символа Р <такт 1);
формирование кода номера сегмента XYZ (такты 2—4);
формирование кода номера шага внутри сегмента ABCD (такты 5—8).
В первом такте определяется знак поступившего на вход кодера очередного отсчета. Если отсчет положительный, то формируется Р=1 и к схеме подключается ФЭ[, а в противном случае формируется Р=0 в схеме подключается ФЭ2.
Формирование кода номера сегмента осуществляется следующим образом.
Во втором такте УЛС с помощью СПСЭ обеспечивает подачу на вход СС эталонного сигнала £/эт=128до, соответствующего нижней границе четвертого сегмента. Если амплитуда отсчета Um\m >иэт=\29Ьо. то принимается решение, что отсчет попадает в один из четырех старших сегментов (Л/с = 4.„7), формируется очередной символ X—1, который по цепи обратной связи поступает на вход УЛС. Если же £/аим £Л>т=512до, то принимается решение, что отсчет попадает в один из двух старших сегментов (We—6 или Nc—7), и формируется очередной символ Y—1» который по цепи обратной связи поступает на вход УЛС. Если Uанп £А>т=32до, то принимается решение, что отсчет попадает во второй н третий сегменты, и формируется Y=L Если £/аим
Кодирование для чайников, ч.1
Не являясь специалистом в обозначенной области я, тем не менее, прочитал много специализированной литературы для знакомства с предметом и прорываясь через тернии к звёздам набил, на начальных этапах, немало шишек. При всём изобилии информации мне не удалось найти простые статьи о кодировании как таковом, вне рамок специальной литературы (так сказать без формул и с картинками).
Статья, в первой части, является ликбезом по кодированию как таковому с примерами манипуляций с битовыми кодами, а во второй я бы хотел затронуть простейшие способы кодирования изображений.
0. Начало
Давайте рассмотрим некоторые более подробно.
1.1 Речь, мимика, жесты
1.2 Чередующиеся сигналы
В примитивном виде кодирование чередующимися сигналами используется человечеством очень давно. В предыдущем разделе мы сказали про дым и огонь. Если между наблюдателем и источником огня ставить и убирать препятствие, то наблюдателю будет казаться, что он видит чередующиеся сигналы «включено/выключено». Меняя частоту таких включений мы можем выработать последовательность кодов, которая будет однозначно трактоваться принимающей стороной.
1.3 Контекст
2. Кодирование текста
Текст в компьютере является частью 256 символов, для каждого отводится один байт и в качестве кода могут быть использованы значения от 0 до 255. Так как данные в ПК представлены в двоичной системе счисления, то один байт (в значении ноль) равен записи 00000000, а 255 как 11111111. Чтение такого представления числа происходит справа налево, то есть один будет записано как 00000001.
Итак, символов английского алфавита 26 для верхнего и 26 для нижнего регистра, 10 цифр. Так же есть знаки препинания и другие символы, но для экспериментов мы будем использовать только прописные буквы (верхний регистр) и пробел.
Тестовая фраза «ЕХАЛ ГРЕКА ЧЕРЕЗ РЕКУ ВИДИТ ГРЕКА В РЕЧКЕ РАК СУНУЛ ГРЕКА РУКУ В РЕКУ РАК ЗА РУКУ ГРЕКУ ЦАП».
2.1 Блочное кодирование
Информация в ПК уже представлена в виде блоков по 8 бит, но мы, зная контекст, попробуем представить её в виде блоков меньшего размера. Для этого нам нужно собрать информацию о представленных символах и, на будущее, сразу подсчитаем частоту использования каждого символа:
Кодирование и декодирование сигналов
Кодирование текстовой информации
Всякий текст – это набор знаков. Но компьютер не может различать знаки, он “понимает” только язык электрических сигналов. Поэтому каждый знак в компьютере закодирован некоторой неповторимой последовательностью электрических сигналов, а им, в свою очередь, установлено цифровое соответствие – код. Нажимая на клавишу клавиатуры, мы посылаем такой код в память компьютера, затем процессор ищет ему соответствие и выдаёт необходимый знак на экран монитора.
Процесс преобразования в компьютере текстовой информации в цифровую форму и обратно называют текстовым кодированием. Таким образом, человек различает знаки по их начертанию, а компьютер – по их коду.
Коды составляют таблицу кодировки, к которой и обращается процессор при обработке текстов. В этой таблице для представления любого текста предусмотрено 28 (256) знаков, что составляет машинный алфавит. Первые 33 кода таблицы (с 0 по 32) отведены не для знаков, а для операций (перевод строки, ввод пробела и т. д.). Коды с 33 по 127 – интернациональные и соответствуют символам латинского алфавита, цифрам, знакам препинания и знакам арифметических действий. Коды с 128 по 255 являются национальными, то есть в нашей стране отведены для знаков кириллицы.
На сегодняшний день существует универсальная таблица кодировки – ASCII (American Standart Code for Information Interchange). Но она не единственная. Для русских букв существует несколько кодировок, среди которых: СР1251 (Windows), СР866, КОИ-8 (MS-DOS). В последнее время появился новый международный стандарт Unicode, который позволяет кодировать 216 (65536) символов.
Кодирование графической информации
Графическая информация в зависимости от способа формирования на экране монитора бывает растровой и векторной.
Растровое изображение похоже на лист клетчатой бумаги, на котором каждая клетка закрашена определённым цветом (и это роднит его с мозаикой, витражами, вышивкой крестом, рисованием «по клеточкам»). Растровая графика предполагает, что изображение состоит из элементарных частей, называемых пикселями («точками»). Они упорядочены по строкам. Количество таких строк на экране образует графическую сетку или растр. Таким образом, растровое изображение – это набор пикселей, расположенных на прямоугольной сетке.
Чем меньше пиксель и больше растр у монитора, тем качественнее его изображение. Наибольшее распространение в современных мониторах получили размеры сетки:
Не менее важным признаком изображения является количество цветов, обеспечиваемое видеокартой. Его можно менять программно (в пределах возможностей видеокарты), выбирая режим цветного изображения:
— чёрно-белое или битовое (0 – белый цвет, 1 – чёрный цвет);
— 16 цветов (4 бита информации в пикселе, 24);
— 256 цветов (8 бит информации в пикселе, 28);
— high color (16 бит информации в пикселе, 65 536 цветов);
— true color (32 бита информации в пикселе, 16 777 216 цветов).
Количество различных цветов К и количество битов для их кодирования b связаны формулой К=2b
Так же, как в телевизоре, в мониторе компьютера цветное изображение строится при помощи трёх основных цветов. RGB (аббревиатура английских слов Red, Green, Blue — красный, зелёный, синий) — цветовая модель, описывающая способ синтеза цвета.
В зависимости от разрешения экрана и количества установленных цветов для преобразования изображений в двоичный код требуется некоторый объём памяти. Например, для сетки 800х600 и цветности high color требуется:
Качество кодирования определяется частотой дискретизации и уровнем кодирования.
Частота дискретизации – это количество измерений уровня сигнала в единицу времени (секунду). Она может находиться в пределах от 8000 до 48000, то есть от 8 до 48 кГц. При частоте 8 кГц качество цифрового звука сравнимо со звуком радиотрансляции, а при 44,1 кГц (48 кГц) – со звуком аудио CD.
Одновременно с временной дискретизацией (частотой) выполняется и амплитудная, то есть измерение значений амплитуды и их представление в виде чисел с определенной точностью (квантование). Эта величина называется уровнем кодирования звука и обычно составляет 16 бит, то есть каждому значению амплитуды звуковой волны соответствует двоичное число в 16 разрядов.