Safari (1) 2.pdf

Data and Computer Communications Chapter 5 – Signal Encoding Techniques EIGHTH EDITION BY WILLIAM STALLINGS LECTURE SLIDES BY LAWRIE BROWN Signal Encoding Techniques Even the natives have difficulty mastering this peculiar vocabulary ‫حتى السكان‬ ‫األصليين يجدون صعوبة في اتقان هذه المفردات الغريبة‬...

Data and Computer Communications Chapter 5 – Signal Encoding Techniques EIGHTH EDITION BY WILLIAM STALLINGS LECTURE SLIDES BY LAWRIE BROWN Signal Encoding Techniques Even the natives have difficulty mastering this peculiar vocabulary ‫حتى السكان‬ ‫األصليين يجدون صعوبة في اتقان هذه المفردات الغريبة‬ —The Golden Bough, Sir James George Frazer Signal Encoding Techniques ‫تقنيات ترميز‬ ‫اإلشارات‬ continuous constant-frequency fc signal is carrier signal digital signaling analog signaling Digital Data, Digital Signal Digital signal.‫إشارة رقمية‬ ◦ discrete, discontinuous voltage pulses".‫ غير متصلة‬،‫"نبضات جهد رقمية متقطعة‬ ◦ each pulse is a signal element‫كل نبضة هي عنصر إشارة‬ ◦ binary data encoded into signal elements ".‫ترميز البيانات الثنائية إلى عناصر اإلشارة‬ Some Terms unipolar polar data rate duration or length of a bit modulation rate mark and space Unipolar - All signal elements have the same sign Polar - One logic state represented by positive voltage the other by negative voltage Data rate - Rate of data (R) transmission in bits per second Duration or length of a bit - Time taken for transmitter to emit the bit (1/R) Modulation rate -Rate at which the signal level changes, measured in baud = signal elements per second. Depends on type of digital encoding used. Mark and Space - Binary 1 and Binary 0 respectively Interpreting Signals The receiver need to know‫يحتاج المستقبل إلى معرفة‬ ◦ timing of bits - when they start and end ".‫ عندما يبدأون وينتهون‬- ‫توقيت البت‬ ◦ signal levels ‫مستويات اإلشارة‬ factors affecting signal interpretation ".‫العوامل التي تؤثر على تفسير اإلشارة‬ ◦ signal to noise ratio ‫نسبة اإلشارة إلى الضوضاء‬ ◦ rate bandwidth encoding scheme ‫ نظام الترميز‬،‫ عرض النطاق‬،‫معدل البيانات‬ data ◦ ◦ Comparison of Encoding Schemes signal spectrum clocking ‫توقيت طيف اإلشارة‬ error detection ‫اكتشاف األخطاء‬ signal interference and noise immunity cost and complexity ‫التداخل في‬ ‫اإلشارة ومقاومة التشويش والتكلفة والتعقيد‬ Encoding Schemes Nonreturn to Zero-Level (NRZ-L) two different voltages for 0 and 1 bits voltage constant during bit interval 0 ‫جهدان مختلفان للبت‬ ‫ والجهد ثابت خالل فترة البت‬،1 ‫و‬ no transition I.e. no return to zero voltage "‫ أي ال عودة إلى جهد الصفر‬،‫"ال تحوالت‬ such as absence of voltage for zero, constant positive voltage for one ،‫"مثل غياب الجهد للصفر‬ "‫جهد إيجابي ثابت للواحد‬ more often, negative voltage for one value and positive for the other ،‫"أكثر في كثير من األحيان‬ "‫جهد سالب لقيمة واحدة وإيجابي للقيمة األخرى‬ Nonreturn to Zero Inverted nonreturn to zero inverted on ones constant voltage pulse for duration of bit ‫"غير عودة إلى الصفر‬ "‫ نبضة جهد ثابتة لمدة البت‬- ‫المعكوس على الواحد‬ data encoded as presence or absence of signal transition at beginning of bit time ‫"تم ترميز البيانات على‬ ".‫أنها وجود أو عدم وجود لتحول في اإلشارة في بداية وقت البت‬ transition (low to high or high to low) denotes binary 1 ‫"التحول (من منخفض إلى مرتفع أو من مرتفع إلى‬ ".1 ‫منخفض) يشير إلى الرقم الثنائي‬ no transition denotes binary 0 ".0 ‫"عدم وجود تحول يشير إلى الرقم الثنائي‬ example of differential encoding since have "‫ حيث يكون هناك‬،‫"مثال على الترميز التفاضلي‬ data represented by changes rather than levels".‫"البيانات تُمثل بواسطة التغييرات بدالً من المستويات‬ more reliable detection of transition rather than level".‫"كشف أكثر موثوقية للتحول بدالً من المستوى‬ easy to lose sense of polarity".‫"من السهل فقدان مفهوم القطبية‬ NRZ Pros & Cons Pros ‫فوائد‬ ◦ easy to engineer ‫الهندسه‬/‫سهل التصميم‬ ◦ make good use of bandwidth‫االستفادة الفعّالة من عرض النطاق‬ ◦ ◦ Cons‫عيوب‬ dc component‫المكون التيار المستمر‬ lack of synchronization capability‫نقص قدرة التزامن‬ used for magnetic recording‫يستخدم للتسجيل المغناطيسي‬ not often used for signal transmission ‫ال يُستخدم بشكل متكرر لنقل اإلشارات‬ Multilevel Binary Bipolar-AMI Use more than two levels Bipolar-AMI ‫استخدام أكثر من مستوىين‬ ◦ zero represented by no line signal".‫الصفر يُمثل بعدم وجود إشارة خطية‬ ◦ one represented by positive or negative pulse".‫الواحد يُمثل بنبضة إيجابية أو سالبة‬ ◦ one pulses alternate in polarity ‫نبضات الواحد تتناوب في القطبية‬ ◦ no loss of sync if a long string of ones "‫ال فقدان للتزامن في حالة سلسلة طويلة من الواحدات‬ ◦ long runs of zeros still a problem ".‫السالسل الطويلة من األصفار ال تزال مشكلة‬ ◦ no net dc component‫ال توجد مكون تيار مستمر صافي‬ ◦ lower bandwidth ‫عرض نطاق أقل‬ ◦ easy error detection "‫كشف األخطاء بسهولة‬ Multilevel Binary Pseudoternary one represented by absence of line signal ".‫يُمثل الواحد بعدم وجود إشارة خطية‬ zero represented by alternating positive and negative no advantage or disadvantage over bipolar-AMI each used in some applications ‫ ال ميزة أو عيب‬،‫"الصفر يُمثل بالتناوب بين اإليجابية والسالب‬ ".‫على كل منهما يستخدم في بعض التطبيقات‬ Multilevel Binary Issues‫قضايا النظام الثنائي متعدد المستويات‬ synchronization with long runs of 0’s or 1’s ‫التزامن مع سالسل طويلة من الصفرات أو‬ ".‫الواحدات‬ ◦ can insert additional bits, cf ISDN ً‫ مقارنة‬،‫يمكن إدراج بتات إضافية‬ ◦ scramble data (later).)‫تشويش البيانات (في وقت الحق‬ not as efficient as NRZ ‫ليس بفعالية مثل‬ ◦ ◦ each signal element only represents one bit ".‫كل عنصر إشارة يُمثل فقط بت واحد‬ receiver distinguishes between three levels: +A, -A, 0 ‫المستقبل يميز بين ثالثة مستويات‬ ◦ a 3 level system could represent log23 = 1.58 bits".‫ مستويات تمثيل أن يُعبر عن بت‬3 ‫يمكن لنظام ذو‬ ◦ requires approx. 3dB more signal power for same probability of bit error ‫ ديسيبل‬3 ‫يتطلب حوالي‬ ‫إضافية من قوة اإلشارة لنفس احتمالية خطأ البت‬ Manchester Encoding ‫ترميز مانشستر‬ has transition in middle of each bit period transition serves as clock and data ‫يحتوي على تحول في منتصف كل فترة بت؛ التحول يعمل كساعة وبيانات‬ low to high represents one high to low represents zero used by IEEE 802. ‫ من األعلى‬،‫من األدنى إلى األعلى يُمثل واحد‬ ‫ يُستخدم من قبل‬،‫إلى األدنى يُمثل صفر‬ Differential Manchester Encoding‫ترميز مانشستر التفاضلي‬ midbit transition is clocking only ".‫تحول منتصف البت هو فقط للتوقيت‬ transition at start of bit period representing 0 ‫تحول في بداية فترة البت يُمثل‬ ".‫الصفر‬ no transition at start of bit period representing 1 ‫عدم وجود تحول في بداية فترة‬ ".‫البت يُمثل الواحد‬ ◦ this is a differential encoding scheme.‫هذا نظام ترميز تفاضلي‬ used by IEEE 802.5 Biphase Pros and Cons Con ◦ at least one transition per bit time and possibly two ‫على األقل تحول واحد في كل وقت‬ ".‫بت وربما اثنان‬ ◦ maximum modulation rate is twice NRZ‫ أقصى معدل تحويل هو ضعف‬." ◦ requires more bandwidth ‫يتطلب مزيدًا من عرض النطاق‬ Pros ◦ synchronization on mid bit transition (self clocking) ‫التزامن على تحول منتصف البت‬ ".)‫(ساعة ذاتية‬ ◦ has no dc component.‫ال يحتوي على مكون تيار مستمر‬ ◦ has error detection Modulation Rate Scrambling use scrambling to replace sequences that would produce constant voltage ‫استخدام عمليات التشويش الستبدال‬ ‫التسلسالت التي قد تنتج جهدًا ثابتًا‬ these filling sequences must produce enough transitions to sync "‫"تنتج ما يكفي من التحوالت للتزامن‬ be recognized by receiver & replaced with original "‫"تُعترف بها من قِبل المستقبل وتُستبدل باألصلية‬ be same length as original "‫"تكون بنفس طول األصلية‬ design goals have no dc component".‫"ال تحتوي على مكون تيار مستمر‬ have no long sequences of zero level line signal ".‫"ال تحتوي على سالسل طويلة من إشارة الخط بالمستوى الصفر‬ have no reduction in data rate ".‫"ال يوجد تقليل في معدل البيانات‬ give error detection capability ".‫"توفير قدرة كشف األخطاء‬ B8ZS and HDB3 bipolar with 8-zeros substitution (B8ZS) high-density bipolar-3 zeros (HDB3) Digital Data, Analog Signal main use is public telephone system ".‫"االستخدام الرئيسي هو في نظام الهاتف العام‬ ◦ has freq range of 300Hz to 3400Hz use modem (modulator-demodulator) ".)‫"استخدام الطرف الناقل والطرف المستقبل (المودم‬ encoding techniques "‫"تقنيات الترميز‬ Amplitude shift keying (ASK) ‫تحويل تحديد شدة االمواج‬ ◦ ◦ ◦ Frequency shift keying (FSK) Phase shift keying (PK) ‫"تحويل تحديد تردد االمواج " و "تحويل تحديد تغيير طور االمواج‬ Modulation Techniques Amplitude Shift Keying encode 0/1 by different carrier amplitudes"‫ بواسطة شدات محملة مختلفة‬0/1 ‫"ترميز‬ usually have one amplitude zero "‫"عادة ما يكون لديها شدة واحدة تكون صفر‬ susceptible to sudden gain changes inefficient "‫"عرضة للتغيرات السريعة في الشدة غير فعالة‬ used for up to 1200bps on voice grade lines ".‫ بت في الثانية على خطوط الصوت درجة الجودة‬1200 ‫"تصل إلى‬ very high speeds over optical fiber ".‫"سرعات عالية جدا ً عبر األلياف الضوئية‬ ◦ ◦ ‫‪Binary Frequency Shift Keying‬‬ ‫عا هو تحويل تحديد تردد االمواج الثنائي )‪most common is binary FSK (BFSK‬‬ ‫األكثر شيو ً‬ ‫"تُمثل قيمتان ثنائيتان بترددين مختلفين )‪two binary values represented by two different frequencies (near carrier‬‬ ‫(بالقرب من الحامل)‪".‬‬ ‫"أقل عرضة لألخطاء من تحويل تحديد شدة األمواج‪less susceptible to error than ASK used for ،‬‬ ‫يُستخدم لـ‬ ‫"تصل إلى ‪ 1200‬بت في الثانية على خطوط الصوت درجة الجودة‪up to 1200bps on voice grade lines ".‬‬ ‫"راديو عالي التردد" ‪high frequency radio‬‬ ‫"تردد أعلى حتى في شبكات االتصاالت المحلية باستخدام الكواكسيال‪even higher frequency on LANs using co-ax".‬‬ Multiple FSK each signalling element represents more than one bit more than two frequencies used ".‫ يُستخدم أكثر من ترد َدين‬،‫"كل عنصر إشارة يُمثل أكثر من بت واحد‬ more bandwidth efficient more prone to error ‫"أكثر فعالية في استخدام عرض النطاق ولكن أكثر‬ ".‫عرضة للخطأ‬ Phase Shift Keying phase of carrier signal is shifted to represent data binary PSK ‫"تم تحويل‬ ‫ وهي تحويل تحديد طور االمواج الثنائي‬،‫مرحلة إشارة الحامل لتمثيل البيانات‬ two phases represent two binary digits ".‫"تُمثل مرحلتان قيمتين ثنائيتين‬ ◦ differential PSK ‫حويل تحديد طور األمواج التفاضل‬ phase shifted relative to previous transmission rather than some reference signal ‫"تحويل في مرحلة‬ ".‫االمواج بالنسبة للنقل السابق بدالً من إشارة مرجعية معينة‬ ‫‪Quadrature PSK‬‬ ‫"يمكن الحصول على استخدام أكثر كفاءة إذا كان كل ‪get more efficient use if each signal element represents more than one bit‬‬ ‫عنصر إشارة يُمثل أكثر من بت واحد‪".‬‬ ‫◦‬ ‫)‪eg. shifts of /2 (90o‬‬ ‫‪each‬‬ ‫"كل عنصر يُمثل اثنين من البتات‪element represents two bits ".‬‬ ‫◦‬ ‫"تقسيم تدفق البيانات الواردة إلى قسمين وتعديلها على ‪split input data stream in two & modulate onto carrier & phase shifted carrier‬‬ ‫حامل وحامل مع تحويل في مرحلة االمواج‪".‬‬ ‫"يمكن استخدام ‪ 8‬زوايا مرحلية وأكثر من قيمة واحدة للشدة‪can use 8 phase angles & more than one amplitude ".‬‬ ‫"جهاز الطرف البعيد بسرعة ‪ 9600‬بت في الثانية يستخدم ‪9600bps modem uses 12 angles, four of which have two amplitudes 12‬‬ ‫زاوية‪ ،‬أربع منها لها قيمتي شدة‪".‬‬ QPSK and OQPSK Modulators offset QPSK (OQPSK), or orthogonal QPSK I (in-phase) and Q (quadrature phase) streams OQPSK differs from QPSK only by the delay in the Q stream ‫‪Performance of Digital to Analog‬‬ ‫‪Modulation Schemes‬‬ ‫‪bandwidth‬‬ ‫"عرض النطاق لتحويل تحديد شدة األمواج وتحويل تحديد طور األمواج يرتبط مباشرة ‪ASK/PSK bandwidth directly relates to bit rate‬‬ ‫بمعدل البت‪".‬‬ ‫"تحويل تحديد طور األمواج متعدد المستويات يقدم تحسينات كبيرة‪multilevel PSK gives significant improvements ".‬‬ ‫"في وجود الضوضاء‪◦ presence of noise: ":‬‬ ‫‪in‬‬ ‫‪bit‬‬ ‫"معدل أخطاء البت في تحويل تحديد طور األمواج ‪◦ error rate of PSK and QPSK are about 3dB superior to ASK and FSK‬‬ ‫وتحويل تحديد طور األمواج الرباعي متعدد المستويات حوالي ‪ 3‬ديسيبل أفضل من تحويل تحديد شدة األمواج وتحويل تحديد تردد األمواج‪".‬‬ ‫"بالنسبة لتحويل تحديد تردد األمواج ‪for MFSK & MPSK have tradeoff between bandwidth efficiency and error performance‬‬ ‫متعدد المستويات وتحويل تحديد طور األمواج متعدد المستويات‪ ،‬هناك تضاد بين كفاءة عرض النطاق وأداء الخطأ‪".‬‬ ‫‪Quadrature Amplitude‬‬ ‫‪Modulation‬‬ ‫تقنية التعديل ‪QAM used on asymmetric digital subscriber line (ADSL) and some wireless‬‬ ‫والتحويل التربيعية تُستخدم على خطوط الهاتف الرقمية الركيزية غير المتناظرة وبعض االتصاالت الالسلكية‪.‬‬ ‫"مزيج من تحويل ‪combination of ASK and PSK logical extension of QPSK‬‬ ‫تحديد شدة األمواج وتحويل تحديد طور األمواج وهو امتداد منطقي لتحويل تحديد طور‬ ‫األمواج الرباعي‬ ‫"إرسال إشارتين مختلفتين في نفس ‪send two different signals simultaneously on same carrier frequency‬‬ ‫التردد الحامل بشكل متزامن‪".‬‬ ‫" استخدام نسختين من حامل اإلشارة‪ ،‬إحداهما محورة بزاوية ‪ 90‬درجة‪use two copies of carrier, one shifted 90° ".‬‬ ‫◦‬ ‫"تم تعديل كل حامل بتحويل تحديد شدة األمواج ‪each carrier is ASK modulated‬‬ ‫"إرسال إشارتين مستقلتين عبر نفس الوسط‪two independent signals over same medium ".‬‬ ‫"فك التعديل والجمع للحصول على اإلخراج الثنائي ‪demodulate and combine for original binary output‬‬ ‫األصلي‪".‬‬ QAM Modulator ‫‪QAM Variants‬‬ ‫"تحويل تحديد شدة األمواج ذو مستويين‪two level ASK ".‬‬ ‫"كل من التيارين في حالة واحدة من حالتين‪each of two streams in one of two states ".‬‬ ‫"نظام رباعي الحاالت‪four state system ".‬‬ ‫◦‬ ‫"أساسا ً تحويل تحديد طور األمواج الرباعي ‪essentially QPSK‬‬ ‫◦‬ ‫‪four‬‬ ‫"تحويل تحديد شدة األمواج ذو أربعة مستويات‪level ASK ".‬‬ ‫"التيار المجتمع في إحدى ‪ 16‬حالة‪combined stream in one of 16 states ".‬‬ ‫"تحتوي على نظم ذات ‪have 64 and 256 state systems improved data rate for given bandwidth 64‬‬ ‫و‪ 256‬حالة‪ ،‬مما يحسن معدل البيانات لعرض النطاق المعطى ◦‪".‬‬ ‫"ولكن زيادة في معدل الخطأ المحتمل‪but increased potential error rate ".‬‬ ‫‪Analog Data, Digital Signal‬‬ ‫"الرقمنة هي عملية تحويل البيانات التماثلية إلى بيانات ‪digitization is conversion of analog data into digital data which can then:‬‬ ‫رقمية‪ ،‬التي يمكن بعد ذلك‪":‬‬ ‫◦‬ ‫يمكن نقلها باستخدام الترميز الثنائي غير العائد‪be transmitted using NRZ-L‬‬ ‫◦◦‬ ‫يمكن نقلها باستخدام رمز غير‪be transmitted using code other than NRZ-L‬‬ ‫"يمكن تحويلها إلى إشارة تماثلية‪be converted to analog signal".‬‬ ‫◦‬ ‫"تحويل التماثلي إلى رقمي يتم باستخدام كوديك ‪analog to digital conversion done using a codec‬‬ ‫تعديل ترميز النبضات" أو "تحويل التعديل بواسطة النبضات‪pulse code modulation".‬‬ ‫تحويل الدلتا‪delta modulation‬‬ Digitizing Analog Data Pulse Code Modulation (PCM) sampling theorem:"‫"نظرية العينة‬ ◦ “If a signal is sampled at regular intervals at a rate higher than twice the highest signal frequency, the samples contain all information in original signal” ‫ فإن العينات تحتوي‬،‫" إذا تم أخذ عينات من إشارة في فترات منتظمة بمعدل أعلى من ضعف تردد اإلشارة األعلى‬ ◦ ".‫على جميع المعلومات في اإلشارة األصلية‬ eg. 4000Hz voice data, requires 8000 sample per sec strictly have analog samples".‫"تحتوي العينات بدقة على عينات تماثلية‬ Pulse Amplitude Modulation (PAM).‫تعديل ترميز التضمين بالنبضات‬ so assign each a digital value".‫"لذلك يتم تعيين لكل منها قيمة رقمية‬ PCM Example PCM Block Diagram Non-Linear Coding Companding Delta Modulation analog input is approximated by a staircase function ".‫"اإلشارة التماثلية يتم تقريبها بواسطة وظيفة السلم‬ ◦can move up or down one level ()at each sample interval ‫"يمكن التحرك ألعلى أو ألسفل بمستوى واحد ( ) في كل‬ ". ◦ ‫فاصل عينة‬ ◦ has binary behavior "‫"لديه سلوك ثنائي‬ since function only moves up or down at each sample interval ‫نظرا ألن الوظيفة تتحرك فقط ألعلى أو ألسفل في كل‬ ً " ".‫فاصل عينة‬ hence can encode each sample as single bit 1 for up or 0 for down ‫) ألعلى أو‬1( ‫"وبالتالي يمكن ترميز كل عينة كبت‬ ".‫) ألسفل‬0( Delta Modulatio n Example when the analog waveform is changing more rapidly than the staircase can follow, there is slope overload noise When the analog waveform is changing ver slowly,quantizing noise occurs. Delta Modulation Operation PCM verses Delta Modulation DM has simplicity compared to PCM but has worse SNR ‫"تحمل تعديل بساطة مقارنة بتعديل الشفرة النبضية‬ ".‫ولكن لديها نسبة إشارة إلى ضوضاء أسوأ‬ issue of bandwidth used ‫قضية استخدام النطاق الترددي‬ ◦ ◦ ◦◦ eg. for good voice reproduction with PCM want 128 levels (7 bit) & voice bandwidth 4khz need 8000 x 7 = 56kbps data compression can improve on this still growing demand for digital signals ‫"ضغط البيانات يمكن أن يحسن‬ ".‫هذا الطلب المتزايد لإلشارات الرقمية‬ use of repeaters, TDM, efficient switching ".‫ تبديل فعّال‬، ‫ تقسيم الوقت‬،‫"استخدام مكررات‬ PCM preferred to DM for analog signals ".‫"يفضل تعديل الشفرة النبضية على تعديل التغير لإلشارات التماثلية‬ Analog Data, Analog Signals modulate carrier frequency with analog data why modulate analog signals? ‫"تعديل‬ "‫ لماذا يتم تعديل اإلشارات التماثلية؟‬،‫تردد الحامل بواسطة البيانات التماثلية‬ higher frequency can give more efficient transmission".‫"يمكن أن يؤدي التردد األعلى إلى نقل أكثر فعالية‬ ◦ ◦ permits frequency division multiplexing (chapter 8))‫تسمح بتقنية تعدد التردد (فصل الترددات‬ Amplitude ‫الشدة‬ ◦ Frequency ‫تردد‬ ◦ Phase ‫مرحلة‬ Analog Modulation Techniques Amplitude Modulation Frequency Modulation ‫باالمداد‬ ‫الالسلكية‬ Phase Modulation ‫االمواج‬ ‫في‬ ‫التحكم‬ ‫التردد‬ ‫في‬ ‫التحكم‬ ‫الطور‬ ‫في‬ ‫لتحكم‬ Summary looked at signal encoding techniques ◦ digital data, digital signal ◦ analog data, digital signal ◦ digital data, analog signal ◦ analog data, analog signal