Codarea informatiei pe suport magnetic

1. Obiectivul lucrarii

Lucrarea se ocupa cu studiul unor moduri de inregistrare binare si ternare a informatiei pe suport magnetic. Constrangerile impuse de mediul magnetic sunt de tipul codurilor RLL, care pot fi privite de asemenea si ca tehnici de modulatie.

2. Introducere teoretica

Cerintele esentiale ale codurilor de adaptare sunt cele ale canalului de inregistrare/redare pe suport magnetic: fiabilitatea inregistrarii si eficienta utilizarii mediului magnetic. Corespondenta intre codul de adaptare si realizarea fizica a inregistrarii este urmatoarea:

• 1 = exista tranzitie in magnetizare;
• 0 = nu exista tranzitie in magnetizare.

Notiuni specifice:
• limitele intervalului fara sincronizare, corespunzatoare codurilor de adaptare (RLL): precizeaza valoarea maxima si minima pe care o poate lua distanta intre doua simboluri de inregistrare 1 pentru a evita interferenta inter-simbol (limita minima) si a permite sincronizarea (limita maxima);
• raportul de densitate DR (Density Rate) reprezinta eficienta unei proceduri de codare care exprima continutul informatic al fiecarei tranzitii din magnetizarea mediului magnetic.

Pentru canalele discrete, stationare si fara memorie exista doua tipuri de coduri:
• coduri de translatie a datelor, pentru canalele cu constrangeri;
• coduri de transmitere a datelor, pentru canalele cu zgomot.

Codurile de translatie a datelor transforma secventa de date de la intrare intr-o noua secventa care satisface constrangerile impuse la intrarea in canal, rezultand astfel coduri de adaptare la canal. Codurile de transmitere a datelor previn aparitia erorilor in secventa de date, rezultand detectia si corectia erorilor. Lucrarea de fata se ocupa numai de codurile de adaptare la canalul de inregistrare pe suport magnetic.

2.1. Coduri binare

2.1.1. Codul NRZI – Non Return to Zero I

Se reprezinta fiecare simbol 1 printr-o celula de tranzitie in magnetizare; celulele fara tranzitie corespund simbolului 0.

Avantaj: raport de densitate bun (DR = 1).

Dezavantaj: codul nu permite siruri lungi de simboluri nule din cauza pierderii autosincronizarii.

Aplicatie: benzi magnetice cu densitate mare.

2.1.2. Codul FM – Frequency Modulation

Codeaza un simbol de date in doua simboluri de cod. Primul simbol este intotdeauna o tranzitie, asigurand autosincronizarea, iar ultimul corespunde informatiei codate (tranzitie pentru 1).

Avantaj: se obtine eliminarea componentei de curent continuu

Dezavantaje: se dubleaza banda de semnal si se reduce raportul de densitate (DR = 0,5).

Aplicatie: discuri magnetice in format simpla densitate (SD).

2.1.3. Codul MFM – Modified Frequency Modulation

Numele deriva din procedeul de micsorare a redundantei codului FM prin eliminarea tranzitiilor de sincronizare alaturate unei tranzitii de date.

Avantaj: raportul de densitate DR = 1.

Aplicatie: discuri magnetice in format dubla densitate (DD).

2.1.4. Codul M2FM – 2-Modified Frequency Modulation

Este o varianta a codului MFM, la care redundanta se micsoreaza prin suprimarea tranzitiei de sincronizare, daca aceasta exista in celula precedenta.

Avantaje: raportul de densitate ramane acelasi ca la MFM si permite o interferenta inter-simbol ceva mai redusa.

Dezavantaj: distanta maxima intre tranzitiile succesive creste fata de varianta MFM.

Aplicatie: discuri magnetice in format inalta densitate (HD).

2.1.5. Codul PE – Phase Encoding sau cod Manchester

Un simbol de informatie se codeaza printr-o tranzitie de un anumit sens intre starile de magnetizare de pe suport, iar la juxtapunerea celulelor corespunzatoare simbolurilor de date de acelasi fel apar tranzitii de ajustare “nesemnificative”.

Traductorul de lectura evidentiaza simboluri de sincronizare la mijlocul fiecarei celule, iar datele se identifica analizand schimbarile de polaritate ale tranzitiilor “nesemnificative”.

Avantaje si dezavantaje: aceleasi ca la FM.

Aplicatie: benzi magnetice de densitate medie.

2.2. Coduri ternare

Impulsurile folosite sunt bipolare, al treilea “simbol” fiind considerat componenta continua rezultata, a carei valoare trebuie sa fie cat mai mica.

Avantaje: reducerea redundantei prin considerarea informatiei de faza continute in impulsul transmis.

Dezavantaj: la unele dintre aceste coduri, componenta continua nu poate fi intotdeauna mentinuta cat mai aproape de zero.

Aplicatie: inregistrari in curent alternativ.

Cele trei coduri ternare studiate sunt codurile TB, DUO si BIP.

2.2.1. Codul TB – Twinned Binary

Reguli de generare a simbolurilor de cod:
• simbolurile +1 si –1 alterneaza, indiferent cate simboluri de 0 sunt intercalate intre doua simboluri nenule succesive;
• un simbol de cod nenul se genereaza la orice schimbare a naturii simbolului de date.

Daca b₀ si b₁ sunt simbolurile de informatie, simbolul de cod a_n se calculeaza astfel:

a_n = –(1/2)b₀ – (1/2)b₁.

Avantaj: nu are componenta de curent continuu, prin alternarea polaritatii impulsurilor.

2.2.2. Codul DUO – Duobinary

Este complementar codului TB, avand legea:

a_n = –(1/2)b₀ + (1/2)b₁.

Reguli de generare:
• simbolurile +1 si –1 nu alterneaza adiacent;
• intre simboluri de informatie de acelasi fel se genereaza simboluri de cod de acelasi fel.

Avantaj: nu poseda tranzitii la simbolurile +1 si –1 adiacente.

Dezavantaj: datorita modului de generare, detine o componenta importanta de curent continuu.

2.2.3. Codul BIP – Bipolar

Se mai numeste si cod TB modificat. Simbolurile de cod rezulta conform regulilor:
• 0 se genereaza ca lipsa de impuls;
• 1 se genereaza ca impuls;
• impulsurile de cod pozitive (+1) si negative (–1) alterneaza, indiferent de celulele fara impulsuri dintre acestea.

Decodarea semnalului bipolar se face prin redresare si detectie la 1/2 din amplitudine.

Avantaje: asigura o componenta continua nula si limiteaza propagarea erorilor.

3. Descrierea aplicatiei

Programul codarem.exe prezinta doua optiuni:

1.      Secventa oarecare

            Programul genereaza o secventa de date de 20 de pozitii binare, care respecta constrangerea RLL (0,3), adica nu permite succesiuni de 0 sau de 1 de mai lungi de 3 pozitii.

            Se prezinta in ordine metodele de codare descrise anterior pentru cazul secventei generate.

2.      Secventa data

            Utilizatorul alege atat lungimea secventei (de preferinta pana la valoare 64), cat si structura acesteia pozitie cu pozitie, respectand aceeasi restrictie RLL (0,3).

            Se prezinta in ordine metodele de codare descrise anterior pentru cazul secventei alese.

            Un exemplu de rulare a programului in cazul optiunii 2 este prezentat in fig. 1.

4. Desfasurarea lucrarii

1.      Se parcurge introducerea teoretica.

2.      Se vizualizeaza si se deseneaza diagramele prezentate in optiunea 1.

3.      Se vizualizeaza si se deseneaza diagramele prezentate in optiunea 2.

4.      In optiunea 2 se aleg diferite lungimi si diferite structuri pentru secventa binara de informatie, respectandu-se de fiecare data restrictia RLL (0,3). Se compara formele de unda obtinute.

5.      Pentru ambele optiuni, se analizeaza modul de constructie al diagramelor, precum si valoarea raportului de densitate.

5. Intrebari

1.      Analizati comparativ metodele de codare FM, MFM si M2FM din punct de vedere al tranzitiilor de sincronizare.

2.      Care este singura structura particulara a secventei binare de informatie care face ca diagramele pentru metodele de codare MFM si M2FM sa difere?

3.      De ce apar tranzitiile nesemnificative la metoda de codare PE?

4.      De ce se prefera utilizarea unei componente continue nule in cazul metodelor de codare ternare?

5.      Care este metoda de codare binara care ofera cea mai buna densitate de inregistrare?

6.      Analizati metodele de codare ternare din punct de vedere al componentei continue.

7.      Analizati metodele de codare ternare din punct de vedere al benzii de frecventa (dinamica semnalului rezultat ca urmare a vitezei de variatie in timp a impulsurilor generate).

8.      Daca se defineste raportul de codare ca fiind raportul intre numarul simbolurilor de informatie (m) si numarul simbolurilor de cod (n), sa se calculeze acest raport (m/n) pentru fiecare dintre metodele de codare prezentate, in cazul unui exemplu particular ales.

9.      Ce alte metode de codare sau tehnici de modulatie (utilizate la inregistrarea informatiei pe suport magnetic) cunoasteti, in afara celor descrise in lucrare?

10.  Care sunt aplicatiile fiecareia dintre metodele de codare prezentate?