TEKNIK PENGKODEAN SINYAL Review from William Stalings. Waode Nurlailah (E1E )

Transkripsi

1 TEKNIK PENGKODEAN SINYAL Review from William Stalings Waode Nurlailah (E1E )

2 TEKNIK PENGKODEAN SINYAL a. Digital Data,Sinyal Data Sebuah sinyal digital adalah urutan diskrit, pulsa tegangan diskontinyu. Setiap pulsa merupakan elemen sinyal. Data biner ditransmisikan oleh pengkodean setiap bit data menjadi elemen-elemen sinyal. Dalam kasus yang paling sederhana, ada korespondensi satu-ke-satu antara bit dan elemen sinyal. Contoh ditunjukkan pada Gambar 3.16, di mana biner 1 adalah Repre-sented dengan tingkat tegangan yang lebih rendah dan biner 0 dengan tingkat tegangan yang lebih tinggi. Kami menunjukkan di bagian ini bahwa berbagai skema pengkodean lainnya juga digunakan. Pertama, kita mendefinisikan beberapa istilah. Jika elemen-elemen sinyal semua memiliki tanda aljabar yang sama, yaitu, semua positif atau negatif, maka sinyal unipolar. Dalam sinyal polar, salah satu negara logika diwakili oleh level tegangan positif, dan yang lainnya dengan tingkat tegangan negatif. Data sinyal tingkat, atau hanya data rate, sinyal adalah tingkat, dalam bit per detik, bahwa data yang transmitted.the durasi atau panjang bit adalah jumlah waktu yang diperlukan untuk pemancar untuk memancarkan bit; untuk data rate R, durasi bit adalah 1 / R. Tingkat modulasi, sebaliknya, adalah tingkat di mana tingkat sinyal changed.ini akan tergantung pada sifat dari pengkodean digital, seperti yang dijelaskan kemudian. Tingkat modulasi dinyatakan dalam baud, yang berarti elemen sinyal per detik. Akhirnya, istilah menandai dan ruang, untuk alasan histori-cal, mengacu pada digit biner 1 dan 0, masing-masing. Tabel Definisi Digital Signal Encoding Format

3 signal-to-noise ratio, data rate, dan bandwidth. Dengan faktor-faktor lainnya dianggap tetap, pernyataan berikut ini benar: Peningkatan data rate akan meningkatkan bit error rate (BER). 1 Peningkatan SNR menurun tingkat kesalahan bit. Peningkatan bandwidth memungkinkan peningkatan data rate Secara khusus, semakin tinggi tingkat sinyal untuk mencapai tingkat data yang diberikan, semakin besar biaya yang dibutuhkan. Kita akan melihat bahwa beberapa kode memerlukan tingkat sinyal yang lebih besar dari data rate yang sebenarnya. Kita sekarang beralih ke diskusi tentang berbagai teknik. Nonreturn to Zero (NRZ) Yang paling umum, dan paling mudah, cara untuk mengirimkan sinyal digital adalah dengan menggunakan dua level tegangan yang berbeda untuk dua digit biner. Kode yang mengikuti strategi ini berbagi properti bahwa tingkat tegangan konstan selama interval bit tidak ada transisi (tidak kembali ke tingkat tegangan nol). Misalnya, tidak adanya tegangan dapat digunakan untuk mewakili biner 0, dengan tegangan positif konstan digunakan untuk mewakili biner 1. Lebih umumnya, tegangan negatif mewakili satu nilai biner dan volt usia positif mewakili lainnya. Kode yang terakhir ini, dikenal sebagai nonreturn to Zero-Level (NRZ-L). NRZ-L biasanya kode yang digunakan untuk menghasilkan atau menafsirkan data digital oleh terminal dan perangkat lainnya. Jika kode yang berbeda akan digunakan untuk transmisi, itu dihasilkan dari sinyal NRZ-L dengan transmisi sistem. NRZI adalah contoh encoding diferensial. Dalam pengkodean diferensial, informasi yang akan dikirim diwakili dalam hal perubahan antara elemen-elemen sinyal SUC-cessive daripada elemen sinyal itu sendiri. Pengkodean bit ditentukan Jika bit saat ini adalah biner 0, maka bit saat ini dikodekan dengan sinyal yang sama dengan bit sebelumnya; jika bit saat ini adalah biner 1, maka bit saat dikodekan dengan sinyal yang berbeda dari bit sebelumnys. Salah satu manfaat dari pengkodean diferensial adalah bahwa hal itu mungkin lebih dapat diandalkan untuk mendeteksi transisi di hadapan kebisingan untuk membandingkan nilai ambang. Manfaat lain adalah bahwa dengan layout transmisi yang rumit, mudah untuk kehilangan sebuah polaritas sinyal. Sebagai contoh, pada baris twisted-pair multidrop, jika lead dari perangkat yang melekat pada twisted pair yang sengaja terbalik, semua 1s dan 0s untuk NRZ-L akan terbalik. Ini tidak terjadi dengan pengkodean diferensial. Kode NRZ yang paling mudah untuk insinyur dan, di samping itu, membuat efisien penggunaan bandwidth. Properti yang terakhir ini diilustrasikan dalam Gambar 5.3, yang membandingkan kepadatan spektral berbagai skema encoding. Dalam gambar, frekuensi dinormalkan dengan data rate. Sebagian besar energi dalam sinyal NRZ dan NRZI adalah antara dc dan setengah tingkat bit. Misalnya, jika kode NRZ digunakan untuk menghasilkan sinyal dengan data rate 9600 bps, sebagian besar energi dalam sinyal terkonsentrasi antara dc dan 4800 Hz. Keterbatasan utama sinyal NRZ adalah adanya komponen dc dan kurangnya kemampuan sinkronisasi. Membayangkan masalah yang terakhir, menganggap bahwa dengan string panjang 1s atau 0s untuk NRZ-L atau string panjang 0s untuk NRZI, output adalah tegangan konstan selama jangka waktu yang panjang. Dalam keadaan ini, setiap pergeseran antara jam dari pemancar dan penerima akan mengakibatkan hilangnya sinkronisasi antara keduanya. Karena kesederhanaan mereka dan respon frekuensi characteris-tics relatif rendah, kode NRZ biasanya digunakan untuk perekaman magnetik digital.

4 multilevel Binary Sebuah kategori teknik pengkodean dikenal sebagai biner multilevel alamat beberapa kekurangan dari kode NRZ. Kode-kode ini menggunakan lebih dari dua tingkat sinyal. Dalam kasus skema bipolar-ami, biner 0 diwakili oleh adanya sinyal line, dan binary 1 diwakili oleh pulsa positif atau negatif. Biner 1 pulsa harus bergantian dalam polaritas. Ada beberapa keuntungan untuk pendekatan ini yaitu : Pertama, tidak akan ada kehilangan sinkronisasi jika panjang tali 1s terjadi. Setiap 1 memperkenalkan transisi, dan penerima dapat mensinkronisasi pada transisi itu. Sebuah string panjang 0s masih akan menjadi masalah. Kedua, karena 1 sinyal alternatif di tegangan dari positif ke negatif, tidak ada komponen dc bersih. Juga band-lebar sinyal yang dihasilkan jauh lebih kecil dari bandwidth untuk NRZ. pergantian pulsa menyediakan cara sederhana deteksi kesalahan. Kesalahan terisolasi, apakah itu menghapus pulsa atau menambah pulsa, menyebabkan pelanggaran properti ini.. Meskipun tingkat sinkronisasi disediakan dengan kode ini, string panjang 0s dalam kasus AMI atau 1s dalam kasus pseudoternary masih menyajikan masalah. Beberapa teknik telah digunakan untuk mengatasi kekurangan ini. Satu pendekatan adalah untuk memasukkan bit tambahan yang memaksa transisi. Teknik ini digunakan dalam (jaringan digital layanan terpadu) ISDN untuk transmisi data rate yang relatif rendah. Tentu saja, pada tingkat data yang tinggi, skema ini mahal, karena itu menghasilkan peningkatan tingkat sinyal transmisi sudah tinggi. Untuk mengatasi masalah ini pada kecepatan data yang tinggi, suatu teknik yang melibatkan mengacak data yang digunakan. biphase Ada satu set teknik coding, yang tergabung dalam biphase jangka, yang mengatasi keterbatasan kode NRZ. Dua dari teknik ini, Manchester dan diferensial Manchester, yang umum digunakan. Dalam kode Manchester, ada transisi di tengahtengah setiap periode bit. The Transisi Midbit berfungsi sebagai mekanisme clocking dan juga sebagai data: transisi rendah ke tinggi merupakan 1, dan transisi tinggi ke rendah merupakan 0 4 Di diferensial Manchester, transisi Midbit hanya digunakan untuk menyediakan clocking. Pengkodean 0 diwakili oleh kehadiran transisi pada awal periode bit, dan 1 diwakili oleh ketiadaan transisi di awal periode bit. Differential Manchester memiliki keuntungan tambahan dari menggunakan pengkodean diferensial. Semua teknik biphase membutuhkan setidaknya satu transisi per waktu bit dan mungkin memiliki sebanyak dua transisi. Dengan demikian, tingkat modulasi maksimum adalah dua kali lipat untuk NRZ, ini berarti bahwa bandwidth yang dibutuhkan jauhlebih besar. Di sisi lain, skema biphase memiliki beberapa keunggulan: Sinkronisasi: Karena ada transisi diprediksi selama setiap bit waktu, penerima dapat melakukan sinkronisasi pada transisi itu. Untuk alasan ini, kode biphase dikenal sebagai kode self-clocking. Tidak ada komponen dc: Kode Biphase tidak memiliki komponen dc, menghasilkan manfaat dijelaskan sebelumnya. Definisi Manchester disajikan di sini adalah kebalikan dari yang digunakan

5 dalam sejumlah buku teks terhormat, di mana transisi rendah ke tinggi merepresentasikan bit 0 dan transisi tinggi ke rendah mewakili biner 1. Di sini, kita menyesuaikan untuk praktik industri dan definisi yang digunakan dalam berbagai LAN stan-dards, seperti IEEE modulasi Tingkat Ketika teknik sinyal-encoding yang digunakan, perbedaan perlu dibuat antara data rate (dinyatakan dalam bit per detik) dan laju modulasi (dinyatakan dalam baud). Data rate, atau bit rate, adalah 1 / T b, di mana T b = Durasi bit. Tingkat modulasi adalah tingkat di mana elemen sinyal yang dihasilkan. Perhatikan, misalnya, Manchester encoding. Elemen sinyal ukuran minimum adalah pulsa dari satu-setengah durasi interval bit. Untuk string semua nol biner atau semua orang biner, aliran kontinu pulsa tersebut dihasilkan. scrambling Teknik Meskipun teknik biphase telah digunakan secara luas di daerah aplikasi net-work pada kecepatan data yang relatif tinggi (hingga 10 Mbps), mereka belum banyak digunakan dalam aplikasi jarak jauh. Alasan utama untuk ini adalah bahwa mereka memerlukan tingkat sinyal tinggi relatif terhadap data rate. Ini semacam inefisiensi lebih mahal dalam aplikasi jarak jauh. b. Data Digital,Sinyal Analog Sekarang kita kembali pada kasus transmisi data digital menggunakan sinyal analog. Penggunaan yang paling familiar dari transformasi ini adalah untuk transmisi data digital melalui jaringan telepon umum. Jaringan telepon dirancang untuk menerima, switch, dan mengirimkan sinyal analog dalam rentang suara-frekuensi sekitar Hz. Hal ini tidak saat ini cocok untuk menangani sinyal digital dari lokasi pelanggan (meskipun ini mulai berubah). Dengan demikian perangkat digital yang melekat pada jaring-pekerjaan melalui modem (modulator-demodulator), yang mengubah data digital ke sinyal analog, dan sebaliknya. Untuk jaringan telepon, modem digunakan bahwa sinyal hasil dalam rentang suara frekuensi. Teknik dasar yang sama digunakan untuk modem yang sinyal pro- Duce pada frekuensi yang lebih tinggi (misalnya, microwave). Bagian ini memperkenalkan teknik ini dan memberikan diskusi singkat dari karakteristik kinerja pendekatan alternatif. Kami menyebutkan bahwa modulasi melibatkan operasi pada satu atau lebih dari tiga karakteristik dari sinyal pembawa: amplitudo, frekuensi, dan fase. Accordingly, ada tiga dasar encoding atau modulasi teknik untuk mengubah data dig-ital menjadi sinyal analog.

6 c. Data Analog,Sinyal Digital Pada bagian ini kita memeriksa proses transformasi data analog ke digital signals.sebenarnya, mungkin akan lebih tepat untuk menyebut ini sebagai proses data analog con-verting menjadi data digital; Proses ini dikenal sebagai digitalisasi. Setelah data analog telah dikonversi menjadi data digital, beberapa hal bisa terjadi. Tiga yang paling umum adalah sebagai berikut: 1. Data digital dapat ditransmisikan menggunakan NRZ-L. Dalam hal ini, kita sebenarnya telah pergi langsung dari data analog ke sinyal digital. 2. Data digital dapat dikodekan sebagai sinyal digital dengan menggunakan kode selain NRZ-L. Jadi langkah ekstra diperlukan. 3. Data digital dapat dikonversi menjadi sinyal analog, menggunakan salah satu teknik mod-modulasi dibahas dalam Bagian 5.2. Terakhir ini, tampaknya penasaran, prosedur diilustrasikan pada Gambar 5.15, yang menunjukkan data suara yang didigitalkan dan kemudian dikonversi ke analog ASK sinyal. Hal ini memungkinkan transmisi digital dalam arti yang didefinisikan dalam Bab 3. Data suara, karena mereka telah didigitalkan, dapat diperlakukan sebagai data digital, meskipun persyaratan trans-misi (misalnya, penggunaan microwave) mendikte bahwa sinyal analog digunakan. Perangkat yang digunakan untuk mengkonversi data analog ke dalam bentuk digital untuk transmisi, dan kemudian memulihkan data analog asli dari digital, dikenal sebagai codec (coder-decoder). Pada bagian ini kita memeriksa dua teknik utama yang digunakan di codec, pulsa kode modulasi dan modulasi delta. Bagian ini ditutup dengan diskusi tentang kinerja komparatif. Modulasi Kode Pulsa Modulasi kode pulsa (PCM) didasarkan pada teorema sampling: SAMPLING TEOREMA: Jika sinyal f (t) adalah sampel pada interval waktu yang teratur dan pada tingkat yang lebih tinggi dari dua kali frekuensi sinyal tertinggi, maka sampel con-tain semua informasi dari sinyal asli. Fungsi f (t) mungkin rekonstruksi-structed dari sampel tersebut dengan menggunakan lowpass filter. Delta Modulasi Salah satu alternatif yang paling populer untuk PCM adalah delta modu-lation (DM). Dengan modulasi delta, input analog didekati oleh fungsi tangga yang bergerak naik atau turun satu tingkat kuantisasi 1 d 2 pada setiap interval pengambilan sampel 1T s 2. Karakteristik penting dari fungsi tangga ini adalah bahwa perilaku adalah biner: Pada setiap kali sampling, fungsi bergerak naik atau turun jumlah konstan. Dengan demikian, output dari proses modulasi delta dapat Repre-sented sebagai digit biner tunggal untuk setiap sampel. Pada dasarnya, aliran bit diproduksi oleh mendekati turunan dari sinyal analog daripada amplitudo: A 1 adalah gen-erated jika fungsi tangga adalah untuk naik selama interval berikutnya; 0 dihasilkan sebaliknya

7 Transisi (atas atau bawah) yang terjadi pada setiap interval sampling dipilih sehingga fungsi tangga melacak gelombang analog yang asli sedekat mungkin. Gambar 5.21 menggambarkan logika dari proses, yang pada dasarnya adalah umpan balik mech-anism. Untuk transmisi, berikut terjadi: Pada setiap kali sampling, input analog dibandingkan dengan nilai terbaru dari fungsi tangga aproksimasi. Jika nilai dari bentuk gelombang sampel melebihi dari fungsi tangga, 1 dihasilkan; jika tidak, 0 dihasilkan. Dengan demikian, tangga selalu berubah ke arah sinyal input. Karena itu output dari proses DM adalah urutan biner yang dapat digunakan pada penerima untuk merekonstruksi fungsi tangga. Fungsi tangga kemudian dapat dihaluskan oleh beberapa jenis proses integrasi atau dengan melewatkannya melalui filter lowpass untuk menghasilkan perkiraan analog dari sinyal input analog. Ada dua parameter penting dalam skema DM: ukuran langkah ditugaskan untuk setiap digit biner, dan tingkat sampling. Ketika gelombang analog berubah sangat lambat, akan ada kebisingan kuantisasi. Kebisingan ini meningkat sebagai meningkat. Di sisi lain, ketika gelombang analog mengubah tangga lebih cepat dari pada dapat mengikuti, ada kemiringan yang berlebihan kebisingan. Kebisingan ini meningkat sebagai d menurun. Reproduksi suara baik melalui PCM dapat dicapai dengan 128 level kuantisasi, atau 7-bit coding = Sebuah sinyal suara, konservatif, menempati bandwidth 4 khz. Jadi, menurut teorema sampling, sampel harus diambil pada tingkat 8000 sampel per detik. Ini berarti data rate 8000 * 7 = 56 kbps untuk data digital PCM-encoded. Pertimbangkan apa artinya ini dari sudut pandang kebutuhan bandwidth. Sinyal suara analog menempati 4 khz. Menggunakan PCM sinyal analog 4-kHz ini dapat diubah menjadi 56-kbps sinyal digital. Tetapi menggunakan kriteria Nyquist dari Bab 3, sinyal digital ini bisa membutuhkan di urutan 28 khz bandwidth. Perbedaan bahkan lebih parah terlihat dengan sinyal bandwidth yang lebih tinggi. Misalnya, skema PCM umum untuk televisi berwarna menggunakan kode 10-bit, yang bekerja untuk 92 Mbps untuk sinyal bandwidth yang 4,6-MHz. Meskipun angka-angka ini, digital teknologi-teknik-terus tumbuh dalam popularitas untuk transmisi data analog. Alasan utama untuk ini adalah sebagai berikut: Karena repeater digunakan sebagai pengganti amplifier, tidak ada suara kumulatif. Seperti yang akan kita lihat, waktu division multiplexing (TDM) digunakan untuk sinyal digital bukan multiplexing pembagian frekuensi (FDM) digunakan untuk sinyal analog. Dengan TDM, tidak ada intermodulation noise, sedangkan kita telah melihat bahwa ini merupakan masalah bagi FDM. Konversi ke sinyal digital memungkinkan penggunaan teknik beralih digital lebih efisien. Selain itu, teknik telah dikembangkan untuk memberikan kode yang lebih efisien. Dalam kasus suara, tujuan yang masuk akal tampaknya berada dalam lingkungan 4 kbps. Dengan video, keuntungan dapat diambil dari fakta bahwa dari frame ke frame, sebagian besar elemen gambar tidak akan berubah. IFS teknik coding harus memungkinkan persyaratan video yang akan dikurangi menjadi sekitar 15 Mbps, dan untuk perlahan-lahan berubah adegan, seperti ditemukan dalam teleconference video, turun ke 64 kbps atau kurang.

8 Sebagai titik akhir, kami menyebutkan bahwa dalam banyak kasus, penggunaan sistem telecommuni-kation akan menghasilkan kedua pengolahan digital-to-analog dan analog-to-digital. Mayoritas terminasi lokal ke jaringan telekomunikasi adalah analog, dan jaringan itu sendiri menggunakan campuran teknik analog dan digital. Dengan demikian data digital di userâ sebuah s terminal dapat dikonversi ke analog oleh modem, kemudian didigitalkan oleh codec, dan mungkin menderita konversi diulang sebelum mencapai tujuan. Dengan demikian, fasilitas telekomunikasi menangani sinyal analog yang mewakili suara dan data digital. Karakteristik bentuk gelombang yang sangat berbeda. Sedangkan sinyal suara cenderung miring ke bagian bawah bandwidth (Gambar 3.9), pengkodean analog sinyal digital memiliki kandungan spektral lebih seragam atas bandwidth dan karena itu mengandung lebih banyak komponen frekuensi tinggi. Penelitian telah menunjukkan bahwa, karena kehadiran frekuensi yang lebih tinggi, teknik terkait PCM lebih disukai teknik untuk DM terkait untuk digitalisasi sinyal analog yang mewakili data digital. 5.4 ANALOG DATA, SINYAL ANALOG d. Data analog,sinyal Analog Modulasi telah didefinisikan sebagai proses menggabungkan m sinyal input (t) dan pembawa pada frekuensi f c untuk menghasilkan sinyal s (t) yang bandwidth (biasanya) cen-tered pada f c. Untuk data digital, motivasi untuk modulasi harus jelas: Ketika hanya fasilitas transmisi analog yang tersedia, modulasi diperlukan untuk mengkonversi data digital ke bentuk analog. Motivasi ketika data sudah analog kurang jelas. Setelah semua, sinyal suara yang dikirim melalui saluran telepon di spektrum origi-nal mereka (disebut sebagai transmisi baseband). Ada dua pokok reaanak untuk modulasi analog dari sinyal analog: Sebuah frekuensi yang lebih tinggi mungkin diperlukan untuk transmisi yang efektif. Untuk transmisi terarah, maka hampir tidak mungkin untuk mengirimkan sinyal baseband; antena yang diperlukan akan banyak kilometer dengan diameter. Modulasi memungkinkan frekuensi division multiplexing, teknik penting dibahas dalam Bab 8. Pada bagian ini kita melihat teknik utama untuk modulasi menggunakan data analog: amplitude modulation (AM), frekuensi modulasi (FM), dan modulasi fase (PM). Seperti sebelumnya, tiga karakteristik dasar dari sinyal yang digunakan untuk modulasi. Modulasi amplitudo (AM) adalah bentuk sederhana dari modulasi dan digambarkan pada Gambar Secara matematis, proses dapat dinyatakan sebagai

9 Pertanyaan 1. Menemukan ukuran langkah yang diperlukan untuk mencegah kemiringan yang berlebihan kebisingan sebagai fungsi dari frekuensi komponen tertinggi pada frekuensi sinyal.asumsikan bahwa semua komponen memiliki amplitudo A 2. Sebuah encoder PCM menerima sinyal dengan tegangan skala penuh 10 V dan menghasilkan 8-bit Kode menggunakan seragam kuantisasi Tegangan terkuantisasi menormalkan maksimum.tenentukan ukuran (a) menormalkan langkah, (b) ukuran yang sebenarnya di volt, (c) tingkat maksimum sebenarnya dalam volt, (d) resolusi dinormalisasi (e) resolusi sebenarnya,dan (f) persentase resolusi. 3. Bentuk gelombang analog ditunjukan pada gambar 5.28 harus delta modulasi.sampling period dan ukuran langkah ditandai dengan grid pada figure.pada keluaran pertama DM dan fungsi tangga untuk periode ini juga ditampilkan.tampilkan sisa fungsi tangga dan memberikan output DM.Tunjukan daerah mana yang kemiringan distorsi berlebihan. Jawab : 1. S(t) = A COS 2 F.T S(t) = A COS 2 S(t) = A COS 360 S(t) = A Jadi,dibutuhkan 1 langkah Amplitudo untuk mencegah kemiringan yang berlebihan Distorsi berlebih

10 2. a. Menormalkan Langkah D = D = 8 2 LOG 2-8 D = = -1 b. Ukuran yang sebenarnya C = 2W 2 Log M C = 2*8 2 LOG 10 C = 2*64 = 128