Sayısal Bilginin İletimi
PC’lerde oluşturulan bilgi otomatik olarak sayısal formata dönüştürülür. Ancak konu ses,veri ve görüntünün iletimine geldiğinde ve PC ortamına dışarıdan bir bilgi verilmek istendiğinde, bu bilgiler sayısal formata dönüştürülmelidir. Ses, görüntü ve verinin kaynağı analogtur. PC ortamında bilgi alış-verişi sayısaldır. Bilgiyi sayısal ortama çevirmek sanıldığı kadar kolay değildir. Şimdi analog olarak gelen bilginin sayısal ortama nasıl aktarıldığını adım adım inceleyelim.
1.Hedefin Analizi ve Belirlenmesi
Bilgiyi sayısal ortama çevirmeden önce; bilginin gönderileceği hedef platformun yapısı ve bilginin hedefe nasıl gönderileceği önceden belirlenmelidir. Ses, video veya bilgi sayısal forma dönüştürülmeden önce; bu bilgilerin hangi programlarda ve PC’lerde kullanılacağı ve bu iletimin nasıl yapılacağı (56K, ISDN, T1 vb.) öncelikle tespit edilmesi gerekir. Örneğin MPEG-1 ile kaydedilen bir video bilgisi mevcut bir PII-300 PC’de seyredilebilirken; dial-up bağlantısında bu işlem zor olacaktır. Geliştirilecek uygulamanın nasıl olacağına (noktadan noktaya iki yönlü, noktadan çok noktaya iki yönlü, noktadan noktaya tek yönlü, noktadan çok noktaya tek yönlü) karar verilmelidir. Bu tip uygulamalarla hedefte ses ve video konferansı, paylaşımlı beyaz tahta, interaktif video, video konferans, video server, multimedya tabalı e-mail, LAN TV gibi seçenekler düşünülmelidir.
Bilginin gönderileceği hedef platformun nasıl bir yapıda olması gerektiği (Intel, MAC), hedefte kullanılacak işletim sistemin özelliği (UNIX, Windows) ve bilginin görüntülenmesi için kullanılacak program (IE5, Netscape, vb.) öncelikle tespit edilmelidir.
2.Bilginin Sayısal Ortama Aktarılması
a) Bilginin sayısal ortama çevrilmesi
Analog haberleşmede, temel band işaret değişikliğe uğramamış analog enformasyon işaretidir. Örneğin analog durum içn, hiçbir değişikliğe uğramamış işaretin iletiminde temel band terimi kullanılmaktadır. Bu temel band işaret tanımı ikili kodlardan oluşan veri işareti iletiminde açık değildir. Bir sayısal dizisi olarak ele alınan işaret önce bir tür elektriksel işarete çevrilir. Eğer bu dönüşüm alçak frekanslı bir elektriksel sinyal elde edecek şekilde yapılmışsa sistem temel band olarak adlandırılır. Buna göre, işaretteki enerji veya güç yoğunlaşması sıfır frekans civarında oluşmaktadır. Sayısal işaret iletim esnasında analog sinyale çevrildiğinde, çevrilen bu işaret (modüle edilmiş işaret) sayısal işaretin bir versiyonudur.
Buna göre, analog bir bilgi sayısal forma dönüştürüldüğünde elde edilen sayısal form analog bilginin tüm özelliklerini içerir. Gelen analog bilgiden alınan örneklemelere göre, analog bilgi sayısal forma dönüştürülür. Zamana göre değişen bir dalga şekli “0” ve “1” lerden oluşan ve analog bilginin tüm özelliklerini içeren sayısal bir forma dönüştürülür.
b) Görüntünün sayısal ortama çevrilmesi
Görüntünün nasıl sayısal ortama çevrildiğine örnek olarak yukarıdaki şekle bakıldığında, bu sistem video sinyalini dijitize ederek ve sıkıştırarak (level 0/64 Kb/s– level 4/274.176 Mb/s arasında)MPEG-II sinyale çevirir ve ağa iletir. Bu ağ (T1, multiple T1s, V.35, RS-330/449, 10/100 ethernet ve 25/155 ATM) olabilir. MPEG-II sinyal daha sonra decode edilir ve son kullanıcıya gelir.
Dijital dünyada renkler kırmızı, yeşil ve mavi olarak tanımlanır (RGB). Analog dünya RGB standardını benimser. Örneğin birçok kamera analog sinyalini RGB’ye çevirir. Bir video sinyali S-Video olarak anılır ve parlaklık ve kontrast için ayrı kanallar taşır. S-Video Y/C video olarak da bilinir.
Tüm renk ve diğer bilgi YUV kanalı içinde (luminance, hue, saturation) birleştirilmelidir. Buna composite sinyal denir. Tipik olarak composite sinyal videoyu çalmak için gerekli tüm bilgiyi içerir. Bir video sinyali composite, s-video veya companent video olarak gönderilebilir. Ayrıca bir video sinyali uzaydan yayılan bir TV sinyali (PAL, SECAM, NTSC) veya uydudan gelen MPEG-II sinyali olabilir.
Video sinyali 8m, Beta SP, HI-8, Lazerdisk, Super VHS (SVHS), Mpeg, dat vb. gibi formatlarda saklanabilir.
Videoyu capture ve dijitize ederken aşağıdaki komponentler önemlidir:
- Çözünürlük
- Renk derinliği
- Frame oranı
Video capture parametrelerinin işlenmesi çözünürlüğün, renk derinliğinin ve frame oranlarının değiştirilmesini içerir.
c) Sesin sayısal ortama çevrilmesi
Digital video gibi, digital ses de analog kaynaktan gelir. Böylece analogtan digitale çevirme yapılır. Bu işlem analog kaynağın örneklerinin bir serisinin alınmasını içerir. Daha yüksek örnekleme oranı daha yüksek kalite verir. Çünkü analog sinyale ait daha çok referans alınır. Örnekleme oranı digital versiyonun kalitesini belirlenmesindeki üç kriterden birisidir. Diğer iki belirleme faktörü her kanala örnekleme sayısındaki bitlerin sayısıdır. Örnekleme oranları Hz veya KHz olarak söylenir ve daima kanal için ölçülür. Örneğin stereo ses için veri saniyede 800 örnekte kaydedilirse (8 KHz), aktüel olarak ses 16KHz olur.
3. Sayısal Bilginin İşlenmesi
Analog bilgi sayısal ortama çevrildikten sonra, bu sayısal form işlenmeye hazırdır. Aslında analog-sayısal dönüşüm sırasında bilginin kodlanması işlemi de gerçekleştirilir. Örneğin klavyeden girilen karakterler ASCII kodu denilen sayısal bir bilgiye dönüştürülür. Bu kodlarla PC klavyeden hangi karakterin girildiğini anlar. Kod çözme işlemi ise farklı bir konudur. Kodlanmış bir işarete bakılarak, örnekleme aralığının tam orta noktasında bir örnekleme ile kod çözme işlemine başlanır. Örneğin örnek değer pozitif ise “1”, negatif ise “0” olarak kodu çözülür. Gerekli gürültü ve bozulmalar filtreleme işlemleriyle yok edilir.
Ses ve görüntü de sayısal ortama çevrildikten sonra filming/editing prosedürleri işletilebilir. Ses ve görüntünün hangi formatta kaydedileceği (wav, mpeg-2 vb.) belirlenir. Görüntünün çözünürlüğü, frame oranı gibi işlemler bu adımda yapılır.
4. Sıkıştırma Algoritmalarının Seçimi
Veri sıkıştırması orijinal bağlantılı bilginin daha fazla compact matematiksel açıklama ile teknik ve algoritmalarla işlenmesidir. Açılması da bunun tersidir. Aşağıda sıkıştırma algoritmaları gösterilmiştir.
a) Video Sıkıştırması:
Video sıkıştırması CODEC (Coder/Decoder veya Compresor/Decompresor) i kullanır. CODEC işlemi donanım veya yazılımla yapılabilir. İki tip sıkıştırma işlemi vardır:
- Lossless: Bir video dosyasını orijinaliyla aynı olacak şekilde sıkıştırılmasıdır. Örn PKZIP uygulaması.
- Lossy: Bu tip sıkıştırma image ve video image dosyalarına uygulanır ve sıkıştırma işleminden sonra orijinal dosyaya farklı makyajlar uygulanır. Bu oran 2:1 den 300:1 e kadar yapılabilir. Bu tip sıkıştırma çalıştırılabilir dosyalara uygulanamaz. Bu sıkıştırmada renk derinliği ve frame oranları değiştirilir. Lossy teknikleri şunlardır:
- Interface Sıkıştırma: Frameler arasındaki sıkıştırma. Örneğin CODEC, MPEG.
- Interframe Sıkıştırma: Kendi başına framelerin sıkıştırılması. Örneğin RLE, JPEG, VQ.
Bazı video sıkıştırma algoritmaları yukarıdaki her iki metodu da kullanır. Örneğin MPEG.
Son kullanıcı Video sıkıştırma algoritmalarına şu örnekler verilebilir:
- MPEG-1
- MPEG-2
- MPEG-4
- M-JPEG
- CELL B
- Indio
- Cinepac
- Apple Video
- H.261
b) Ses Sıkıştırması
Ses verisinin efektif olrak sıkıştırılması zordur. 8-bit veri için, başarılı örnekler arasında deltaların kaba bir encodelenmesi göreceli olarak başarılıdır. Sony ve Philips firmaları 16 bit veri için hususi şemalar geliştirmişlerdir. Apple Computerin Apple IIGS üzerinde ACE olarak bilinen ve MAC üzerinde MACE olarak bilinen bir ses sıkıştırma ve açma düzeni vardır. ACE/MACE dalganın bir sonraki örneğe geçeceği yerde önceden öğrenmeye çalışan bir lossy düzendir. 8:3 sıkıştırmada biraz fazla kalite indirimiyle 8:4 sıkıştırmada çok küçük bir kalite değişikliği vardır. Adaptive Delta Pulse Code Modulation (ADPCM) kullanan ses sıkıştırmaları için genel standarlar şunlardır:
- 32 Kbps da CCIU g.721 örneklemesi
- 24Kbps ve 40Kbps da CCIU G.723 örneklemesi
- GSM 06.10
I630 13 bit örneği saniyede 260 bite (33 byte) veya 1650 byte sıkıştıran (saniyede 8000 örnek) bir avrupa konuşma encoding standardıdır. Aşağıda 2 US Federal Standardı verilmiştir:
- Saniyede 4800 bit de CEPL (Code Exited Linear Prediction) kullanan 1016
- Saniyede 2400 bit de 1015 (LPC-10E)
5. Sayısal Bilginin İletilmesi
Digital bir numara ile tanımlanabilen farklı değerli bilgi veya numaralar ile gönderdiğimiz bilgi AM veya FM şemaya göre gönderilen dalga formundaki analog bilgiden ayırt edilir. En çok bilinen Telgraf, bilgi bilimi veya iletişim teorisinden fazla bilgiye ihtiyaç olmadan üretilen sayısal bir iletişim sistemidir. Telgrafta olduğu gibi numaraları binary olarak gösteririz. Böylece dijital iletişim göndericiden alıcıya giden bitlerin başarılı iletimi ile ilgilidir. Hem kablolu hemde kablosuz iletişim sistemleri için, her bit tek bir “T” saniyesinde geciken (the bit interval) sinyal ile temsil edilir. Sinyal temsili seçimi band genişliği ihtiyaçlarına ve kanala bağlıdır. Baseband kablolu kanal için bir sinyal tipi şöyle olabilir:
Ve modüle edilmiş kablolu ve kablosuz kanal için ise;
Bu dalga formları kaynak tarafından oluşturulan bit akıntısına göre başarılı bir şekilde gönderilir.
Dijital iletişimin yeni özelliğinden biri “hata doğrulama kodu” dur. Burada, gönderici, gönderilen bit akışına ilave olarak, mesajdan alınan iletim extra bitlerine ekler. Veri bitleri ve kod bitleri beraber bir “kod kelimesi” ni kapsar. Uygun şekilde dizayn edilirse, kod bitleri gönderici/alıcı hatalarını doğrulamak için kullanılabilir. Belki en basit hata doğrulama kodu tekrar kodudur. Burada her “bir” bir kere yerine N kere gönderilir. Alıcıda “kod kelimesi” tarafından temsil edilen bit demokratik olarak tayin edilir: alınan kod cümlesinde gösterilen en çok oy alınan seçilir.
N=3 olduğunda tüm tek bit hataları düzeltilir.İletim hatasında oluşan yalnız çiftte 3’lük bit hataları bırakılarak.
En basit çözümde, her iletici belirli bir kanalı kullanır ve diğer iletimlerden etkilenmelerden ilgilenmeye gerek duymaz. Bugünkü iletim çevresinde, kanallar maksimum etkili kanal kullanım ihtiyacıyla birçok ileticiler arasında paylaşılması gerekmektedir.
Dijital iletişim için daha fazla gerçekçi model şudur:
Paylaşılan kanallardaki üç metod -multi access protocols- geliştirildi. Her ileticinin bir R oranının gönderdiğini farz edelim. Bu durumda iletimler zaman (TDMA ve CSMA/CD), frekans (FDMA) veya sinyalsel (CDMA) ya göre tahsis edilebilir. Kalıcılık gereklidir ve herbiri kullanıcıya bir numara için aynı iletim band genişliği gerektirir.
5.1. Sayısal Bilginin Modülasyonu
Sayısal bir bilgi gönderilmeden önce modüle edilmesi yani bir taşıyıcının üzerine bindirilmesi gerekir. Taşıyıcı sayısal bilgiyi bir yerden bir yere taşımaya, hedefe ulaştırılmasını sağlar. Sayısal bilginin modüle edilmesi için çeşitli metodlar mevcuttur. Şimdi bunları kısaca inceleyelim.
a) Faz Kaydırmalı Anahtarlama: Bu metod klasik bir faz modülasyonuna benzemektedir. Giriş sinyali ikili bir sinyaldir ve sınırlı sayıda çıkış fazı münkündür. İkili, dörtlü, sekizli ve onaltılı olarak, giriş ikili koda göre modülasyon yapılır. Demodülasyonu ise bunun tam tersidir. Kullanılan taşıyıcı frekansının 1-bitindeki fazının 0-bitindeki fazıyla 180 derece faz farkı olduğu faz terslemesi (yani 180 derece faz kayması) modülasyonudur. Bu metod çoğu zaman iki-faz modülasyonu olarak adlandırılır ve bir alıcı tarafından algılanması, iki değişik fazın tanınmasını ve orijinal sayısal dalga şeklinin yeniden üretilmesini gerektirir. Diferansiyel faz modülasyonu olarak adlandırılan diğer bir metod, bir önceki bite göre meydana gelen faz değişikliğini kullanır. Aynı zamanda etkili bit hızını ve böylece gerekli band genişliğini düşürmek için veri band genişliğini peşpeşe bitler bir çift olarak kabul edilir.
b) Frekans Kaydırmalı Anahtarlama: Nispeten basit, düşük performanslı bir sayısal modülasyon biçimidir. Frekans modülasyonuna benzer ve sabit zarflı bir açı modülasyon biçimidir. Aradaki fark, modüle edici sinyalin sürekli değişen bir dalga biçimi değil, iki ayrık gerelim düzeyi arasında değişen ikili darbe akışı olmasıdır. Vericide taşıyıcı frekans ikili giriş verisi tarafından kaydırılır. Alıcıda ise bunun tam tersi bir işlem gerçekleştirilir.
c) Genlik Modülasyonu: Sayısal genlik modülasyonu her 1-bitinin taşıyıcı açık ve her 0-bitinin taşıyıcı belli bir gerilim seviyesinde kapalı yapacak şekilde düzenlenmesidir. Bu GM metodu ile dört değişik bit seviyesini üretecek şekilde de kullanılabilir.
d) Artık Yan Band Modülasyonu: Bu modülasyon tipi bir TV sinyali için gerekli band genişliğini düşürmek, fakat aynı zamanda çift yan band genlik modüle edilmiş sinyalin demodülasyonundaki kolaylık ve düşük maliyeti korumak için sunulmuştur. Bu prensip kiralık hatlar ve BT modemleri kullanarak yüksek hızlı veri iletimi ile iki bilgisayarı birbirine bağlamak için kullanılmaktadır.
e) Darbe Genişlik Modülasyonu: Taşıyıcı darbe katarındaki her darbenin genişliğinin mesaj işaret genliği ile orantılı değiştirilmesi sonucu elde edilir. Bu orantı mesaj sinyal genliği arttıkça darbe genişliği artacak, sinyal genişliği zaladıkça darbe genişliği azalacaktır.
f) Darbe Puls Modülasyonu: Mesaj işaretinin genliği ile orantılı olarak darbe yerlerinin değiştirilmesi sonucu elde edilir.
g) Darbe Kod Modülasyonu: Mesaj işaret diğer sayısal modülasyonlarda olduğu gibi bir örnekleme frekansı ile örneklernir. Örneklenmiş bu işaret belirli sayıda dilimlere ayrılmış kuantalayıcıdan geçirilerek uygun seviyelere yuvarlatılır. Bu aşamadan sonra her bir kuanta seviyesine karşılık gelen 2’lik kodlar üretilerek modül işlemi tamamlanır.
h) Darbe Genlik Modülasyonu: Taşıyıcı darbe dizisindeki her darbenin genliği bilgi işaretine bağlı olarak değişir. Bu modülasyonda bilgi işareti genliği arttıkça darbe genliği artmakta, bilgi işareti genliği azaldıkça darbe genliği azalmaktadır.
i) Delta Modülasyonu: İki tip delta modülasyonu mevcuttur. İlki olan Doğrusal delta modülasyonunda, işaretten alınan bir örnek genliğin bir önceki örnek genlikle olan farkının pozitif ya da negatif oluşuna göre bir bitle ifade edilmesi esasına göre çalışır. İkinci çeşidi olan Adaptif delta modülasyonunda, giriş ve çıkış arasındaki farka bağlı olarak değişken delta aralıklarından biri seçilir. Çıkışta ise bu adım aralıklarına ilişkin ikili kodlar üretilir.
Sonuç
Dünyadaki telefon şirketleri tam sayısal ağlar kurmak için ekonomik, rekabetçi ve müşteri baskılarına cevap vermektedir. Nihayet bunun anlamı: telefon bağlantılarını, veri iletişimini, video linklerini veya diğer servisleri sağlayacaklar ki, kabiliyetler müşteri tarafında genel bir sayısal kontrollerle yapılacaktır. Bugün bildiğimiz telefon şirketleri veya PTT organizasyonları ISDN veya ATM gibi veri servislerinden birini sağlayan yalnız “dijital şirket” olacaklardır.