پایان نامه کدینگ و اینکدینگ اطلاعات در شبکه‌ های کامپیوتری

پایان نامه جهت اخذ درجه کاردانی

در رشته: سخت افزارکامپیوتر (ناپیوسته)

چکیده

در این کتاب سعی شده است که تمامی مطالب بصورت آسان برای درک بهتر مفاهیم ارائه گردد. در جمع آوری این پایان نامه از کتاب نقل وانتقال اطلاعات (استالینگ) استفاده شده است که تلاش بر این شده مطالبی مفید درباره‌ی کدینگ و اینکدینگ اطلاعات در شبکه‌ های کامپیوتری ارائه شود. با امید آنکه با مطاله‌ی این پایان نامه به تمامی اهداف آموزشی از پیش تعیین شده خود برسید.

فصل اول

کدینگ و مدالاسیون

1-1 کدینگ و مدالاسیون

در رسانه سیگنال ها به شکل‌های مختلف قابل انتقال هستند. اما چگونه پیام به سیگنال تبدیل شود. برای پاسخ این سئوال می‌بایست نوع پیام و نوع سیگنال مورد نیاز جهت انتقال اطلاعات در روی رسانه در نظر گرفته شود. با در نظر گرفتن آنالوک ودیجیتال بودن پیام و سیگنال چهار امکان تبدیل پیام به سیگنال و یا بالعکس وجود دارد.

این چهار امکان در شکل 1-1 کشیده شده است. اگر پیام به صورت آنالوگ بوده و سیگنال نیز به صورت آنالوگ باشد. تبدیل بصورت آنالوگ به آنالوگ خواهد بود برای سه امکان دیگر نیز به همین ترتیب تعریف می‌گردد

چهار حالت ممکن تبدیل پیام به سیگنال

1-2 انتقال داده‌ های آنالوگ و دیجیتال

واژه آنالوگ و دیجیتال صراحتاً به ترتیب به پیوسته و گسسته اتلاق می‌شود. این دو واژه به دفعات در تبادل داده حداقل در سه زمینه به کار می‌رود: داده، سیگنالینگ (سیگنال دهی) و انتقال.

به طور خلاصه، داده را عنصری (واحدی[1]) می‌نامیم که مفهوم یا اطلاعاتی را حمل می‌کند. سیگنال ها نمایش‌های الکتریکی یا الکترو مغناطیسی داده هستند.

 سیگنالینگ انتشار فیزیکی سیگنال آنالوگ در یک رسانه مناسب است. انتقال، تبادل داده به وسیله ی انتشار و پردازش سیگنال ها است. آن چه که در ادامه خواهد آمد سعی در شفاف کردن این مفاهیم منفرد خواهد کرد. این کار را با اعمال واژه‌های آنالوگ و دیجیتال به داده، سیگنال ها و انتقال انجام می‌دهیم.

شکل1-2 اثر پهنای باند روی یک سیگنال دیجیتال

1-3 داده ها و سیگنال ها

در بحث قبل، سیگنال‌های آنالوگ برای نمایش داده‌های آنالوگ و سیگنال‌های دیجیتال برای نمایش داده‌های دیجیتال به کار رفتند. عموماً داده‌های آنالوگ تابعی از زمان بوده و طیف فرکانس محدودی را اشغال می‌کنند. چنین داده هایی با سیگنال‌های الکترومغناطیسی نمایش داده شده و طیف یکسانی را اشغال می‌نمایند. داده‌های دیجیتال به وسیله ی سیگنال‌های دیجیتال همراه با سطوح ولتاژ مختلف برای دو رقم دودویی نشان داده می‌شود.

شکل 1-3 تبدیل ورودی PC به سیگنال دیجیتال

داده‌های دیجیتال را می‌توان به کمک یک مودم (modulator/demodulator) به سیگنال‌های آنالوگ تبدیل کرد. مودم یک سری از پالس‌های ولتاژ دودویی (دومقداری) را به یک سیگنال آنالوگ تبدیل می‌نماید. این کار با کد گذاری داده دیجیتال در فرکانس حامل انجام می‌گیرد. سیگنال حاصل طیف معینی را اشغال می‌کند که مرکزیت آن حول فرکانس حامل است و ممکن است در رسانه ای مناسب آن موج حامل منتشر شود. بسیاری از مودم‌های متداول داده دیجیتال را در طیف صوت ارائه می‌کنند و بنابراین به آن داده‌های امکان انتشار از طریق خطوط تلفنی داده می‌شود. در سمت دیگر این خط، مودم دیگری سیگنال را برای به دست آوردن داده اصلی، دمدوله می‌نماید.

در عملی شبیه به آن چه توسط یک مودم انجام می‌شود، داده‌های آنالوگ می‌توانند توسط داده‌های دیجیتال نمایش داده شوند. دستگاهی که این کار را برای داده صوتی انجام می‌دهد،کدگذار[2] نام دارد (مخفف Coder-decoder). در واقع کدگذار مستقیماً سیگنال آنالوگی را که معرف داده صوتی است دریافت کرده و آن را به یک رشته بیت تقریب می‌نماید. در سمت گیرنده، رشته بیت برای بازسازی داده آنالوگ به کار می‌رود.

(نمودار و جداول در فایل اصلی موجود است)

(الف) داده ها و سیگنال ها

سیگنال آنالوگ

سیگنال دیجیتال

داده آنالوگ

دو حالت وجود دارد: اولا سیگنال همان طیف داده آنالوگ را اشغال می‌کند و ثانیاً داده آنالوگ انکد (کدگذاری)شده تا بخش دیگری از طیف را بگیرد.

داده آنالوگ با استفاده از انکدر /دیکدر کدگذاری می‌شوند تا رشته بیت‌های دیجیتال تولید شود.

داده دیجیتال

داده دیجیتال با استفاده از یک مودم انکد شده تا سیگنال آنالوگ به دست آید.

دو حالت وجود دارد: اولاً سیگنال متشکل از دو سطح ولتاژ برای نمایش دو مقدار دودویی است و ثانیاً داده دیجیتال برای تولید یک سیگنال دیجیتال خواص مورد نظر انکد شده است.

(ب) نوع برخورد با سیگنال ها

سیگنال آنالوگ

از طریق تقویت کننده ها منتشر می‌شود ؛ رفتار مشابهی برای سیگنال آنالوگ یا دیجیتال دارد.

فرض کنید که سیگنال آنالوگ داده دیجیتال را نمایش دهد. سیگنال از طریق تکرار کننده انتشار می‌یابد در هر تکرارکننده، داده دیجیتال از سیگنال ورودی گرفته شده، برای تولید سیگنال آنالوگ خروجی به کار می‌رود.

سیگنال دیجیتال

به کار نرفته است.

سیگنال دیجیتال رشته ای از 0 ها و 1 ها را نشان می‌دهد، که ممکن است نمایشگر داده دیجیتال یا کدگذاری شده یک داده آنالوگ باشد. سیگنال از طریق تکرار کننده ها منتشر می‌شود. 1 ها و 0 ها از سیگنال دریافتی بازسازی شده و رشته سیگنال جدیدی برای خروجی تولید می‌گردد.

1-4 انتقال آنالوگ و دیجیتال

هر دو نوع سیگنال آنالوگ و دیجیتال می‌توانند روی رسانه ای مناسب ارسال گردند. روشی که بر روی این سیگنال ها اجرا می‌شود به سیستم انتقال وابسته است. جدول 1-1 این روش ها را خلاصه کرده است. انتقال آنالوگ به معنی انتقال سیگنال آنالوگ بدون توجه به محتوای آن ها است. سیگنال ها ممکن است داده‌های آنالوگ مثل صوت یا داده دیجیتال مثل داده دودویی که از یک مودم می‌گذرد را نمایش دهند. در هریک از دوحال، سیگنال آنالوگ پس از طی مسافت معینی ضعیف می‌شود. برای دستیابی به فواصل دورتر، سیستم انتقال آنالوگ دارای تقویت کننده ای است که انرژی را در سیگنال تقویت می‌کند. متأسفانه، تقویت کننده پارازیت ها را هم تقویت می‌نماید. با توالی سازی تقویت کننده برای دستیابی به فواصل دورتر، سیگنال بیشتر و بیشتر، اعوجاج پیدا می‌کند. برای داده آنالوگ، مانند صوت با حفظ درک داده، اعوجاج کمی مورد قبول است. با این وجود برای داده دیجیتال، تقویت‌های متوالی،خطا ایجاد می‌نمایند.

برعکس، انتقال دیجیتال به محتوای سیگنال توجه دارد. یک سیگنال دیجیتال فقط تا فاصله ی محدودی قبل از تأثیر تضعیف، پارازیت و دیگر موانع و به مخاطره افتادن جامعیت داده، انتقال می‌یابد. برای دستیابی به فواصل بزرگتر، از تکرارکننده ها استفاده می‌شود. یک تکرارکننده سیگنال دیجیتال را دریافت می‌کند، الگوی 1 ها و 0 ها را ترمیم می‌کند و یک سیگنال جدید ارسال می‌دارد. بنابراین تضعیف منتفی است.

تکنیک مشابهی می‌تواند برای سیگنال آنالوگ هم استفاده شود، با این فرض که سیگنال درحال حمل داده دیجیتال است. در نقاطی با فواصل مناسب، سیستم انتقال به جای تقویت کننده دارای تکرارکننده است. تکرار کننده داده دیجیتال را از سیگنال آنالوگ در می‌آورد و سیگنال آنالوگ جدید و واضحی را تولید می‌نماید. بنابراین از تجمع پارازیت جلوگیری می‌شود.

سوالی که به طور طبیعی پیش می‌آید. این است که کدام روش انتقال ارجح است. پاسخی که به وسیله ی صنعت مخابرات و مشتریانش داده می‌شود ' دیجیتال ' است. هم امکانات مخابراتی راه دور و هم درون ساختمانی و در صورت امکان در تکنیک‌های سیگنالینگ دیجیتال به سمت انتقال دیجیتال گرایش پیدا کرده اند. دلایل عمده به شرح زیر است:

فناوری دیجیتال:ظهور فناوری مجتمع سازی در مقیاس بزرگ (LSI) و خیلی بزرگ (VLSI)، موجب تداوم کاهش در قیمت و سایز مدارهای دیجیتال گردید. تجهیزات آنالوگ چنین افتی را نشان نداده اند.

جامعیت داده: با استفاده از تکرار کننده ها به جای تقویت کننده ها، اثر پارازیت ها و دیگر تضعیف کننده ها روی هم انباشته نمی شوند. بنابراین می‌توان به روش دیجیتال داده را روی خطوط کم کیفیت به فواصل دورتر فرستاد و جامعیت داده را هم حفظ کرد.

استفاده از ظرفیت: ساخت خطوط انتقال با پهنای باند خیلی زیاد از جمله کانال‌های ماهواره و فیبرنوری اینک اقتصادی شده است. استفاده بهینه از این ظرفیت نیاز به درجه ی بالایی از مولتی پلکسینگ دارد، و این هم با روش دیجیتال ارزان تر و آسان تر به دست می‌آید تا با تکنیک‌های آنالوگ.

امنیت و اختصاص: تکنیک‌های رمز گذاری[1] به سادگی قابل اعمال به داده‌های دیجیتال و نیز داده‌های آنالوگ هستند که دیجیتالی شده اند.

نکات کلیدی

هر دو نوع اطلاعات آنالوگ و دیجیتال را می‌توان به صورت سیگنال‌های آنالوگ یا دیجیتال کدگذاری کرد. کدگذاری خاص انتخابی به نیاز‌های خاصی بستگی دارد که قرار است برآورده شود و نیز به امکانات مخابره و رسانه موجود وابسته است.

داده‌های دیجیتال، سیگنال‌های دیجیتال: ساده ترین فرم انکد کردن (کدگذاری داده دیجیتال تخصیص یک سطح ولتاژبه عدد دودویی 1 و سطحی دیگر به عدد دودویی 0 است. طرح‌های کدگذاری پیچیده تری برای اصلاح عملکرد استفاده می‌شوند. این کار با تغییر طیف سیگنال و ایجاد قابلیت همگامی انجام می‌گردد.

داده‌های دیجیتال، سیگنال‌های آنالوگ: یک مودم داده دیجیتال را به یک سیگنال آنالوگ تبدیل می‌کند، به نحوی که بتوان از طریق خط آنالوگ ارسال گردد. عمده ترین روش کلیدزنی شیفت دامنه (ASH)، کلید زنی شیفت فرکانس (FSK) و کلید زنی شیفت فاز (PSK) است. هر یک از آن ها یک یا چند خصوصیت فرکانس حامل را برای ارائه داده دودویی تغییر می‌دهند.

داده‌های آنالوگ، سیگنال‌های دیجیتال: داده آنالوگ، مانند صوت و ویدیو، اغلب دیجیتالی می‌شوند تا امکانات ارسال دیجیتال استفاده شود. ساده ترین تکنیک مدولاسیون کد پالس(PCM) است، که شامل نمونه برداری تکراری داده آنالوگ و کوانتیزه کردن نمونه ها است.

داده‌های آنالوگ، سیگنال‌های آنالوگ: داده‌های آنالوگ به وسیله ی فرکانس حامل مدوله می‌شوند تا یک سیگنال آنالوگ در باندهای فرکانس متفاوت تولید گردد. این سیگنال قابل استفاده در سیستم ارسال آنالوگ است. تکنیک‌های اصلی عبارتند از مدولاسیون دامنه (AM)، مدولاسیون فرکانس (FM) و مدولاسیون فاز (PM).

تفاوت بین داده‌های آنالوگ و دیجیتال، و سیگنال‌های دیجیتال و آنالوگ بیان شد.

نشان داد که هر یک از دو فرم داده می‌تواند به هریک از فرم‌های سیگنال تبدیل گردد.

برای سیگنالینگ دیجیتال، یک سورس داده g(t) که می‌تواند دیجیتال یا آنالوگ باشد، به یک سیگنال دیجیتال x(t) کدگذاری (انکد) شده است. فرم واقعی x(t) به تکنیک انکد کردن بستگی داشته و بر بهینه سازی استفاده از محیط انتقال تأکید دارد. مثلاً کدگذاری ممکن است برای حفظ پهنای باند و یا حداقل کردن خطاها به کار رود.

مبنای سیگنالینگ آنالوگ عبارت است از سیگنالی با فرکانس ثابت و پیوسته به نام سیگنال حامل. فرکانس سیگنال حامل سازگار با محیط انتقال به کار رفته است. داده با استفاده از یک سیگنال حامل ارسال می‌شود.

مدولاسیون

 فرآیند کدگذاری داده منبع روی سیگنال حاملی با فرکانس  است. همه تکنیک‌های مدولاسیون شامل عملی روی یک یا سه پارامتر حوزه فرکانس، یعنی دامنه، فرکانس و فاز است.