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 F_Д=8кГц (T_Д=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.

Источник

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

Источник

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 Н_с> 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 N_c и шагов квантования N_m внутри каждого сегмента: ftf_c=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

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 >и_эт=\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 N_c—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

Источник

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:

Источник

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.

Источник