Модуляция и кодирование сигналов

⇐ ПредыдущаяСтр 8 из 12Следующая ⇒

Модуля́ция (лат. modulatio — размеренность, ритмичность) — процесс изменения одного или нескольких параметров модулируемого несущего сигнала при помощи модулирующего сигнала.

Передаваемая информация заложена в модулирующем сигнале, а роль переносчика информации выполняет высокочастотное колебание, называемое несущим (модулируемым). Модуляция, таким образом, представляет собой процесс «посадки» информационного колебания на заведомо известную несущую с целью получения нового модулированного сигнала.

Использование модуляции позволяет:

§ согласовать параметры сигнала с параметрами линии;

§ повысить помехоустойчивость сигналов;

§ увеличить дальность передачи сигналов;

§ организовать многоканальные системы передачи (МСП с ЧРК).

Виды аналоговой модуляции:

амплитудная модуляция (АМ), происходит изменение амплитуды несущего колебания;

частотная модуляция (ЧМ), происходит изменение частоты несущего колебания;

фазовая модуляция (ФМ), происходит изменение фазы несущего колебания.

Амплитудная модуляция — процесс изменения амплитуды несущего сигнала в соответствии с мгновенными значениями модулирующего сигнала.

Частотная модуляция — процесс изменения частоты несущего сигнала в соответствии с мгновенными значениями модулирующего сигнала.

Фазовая модуляция — процесс изменения фазы несущего сигнала в соответствии с мгновенными значениями модулирующего сигнала.

Методы аналоговой модуляции

Аналоговая модуляция является таким способом физического кодирования, при котором информация кодируется изменением амплитуды, частоты или фазы синусоидального сигнала несущей частоты. Основные способы аналоговой модуляции показаны на рис. На диаграмме показана последовательность бит исходной информации, представленная потенциалами высокого уровня для логической единицы и потенциалом нулевого уровня для логического нуля. Такой способ кодирования называется потенциальным кодом.

Рисунок 5

При амплитудной модуляции(рисунок 5, б) для логической единицы выбирается один уровень амплитуды синусоиды несущего колебания, а для логического нуля – другой. Этот способ редко используется в чистом виде на практике из-за низкой помехоустойчивости (воздействие помех в канале связи приводит к искажению амплитуды передаваемого сигнала и, соответственно, к искажению передаваемой информации), но часто применяется в сочетании с другим видом модуляции – фазовой модуляцией (квадратурная амплитудная модуляция в модемах с повышенной скоростью передачи данных).

При частотной модуляции(рисунок 5, в) значения 0 и 1 исходных данных передаются синусоидами с различной частотой – f1 и f2. Этот способ модуляции не требует сложных схем в модемах и обычно применяется в низкоскоростных модемах, работающих на скоростях 300 или 1 200бит/с.

При фазовой модуляции (рисунок 5, г) значениям данных 0 и 1 соответствуют сигналы одинаковой частоты и амплитуды, но с различной фазой, например 0 и 180 градусов или 0, 90, 180 и 270 градусов.

Методы цифровой модуляции

В сетях применяются так называемые самосинхронизирующиеся коды,сигналы которых несут для передатчика указания о том, в какой момент времени нужно осуществлять распознавание очередного бита (или нескольких бит, если код ориентирован более чем на два состояния сигнала). Любой резкий перепад сигнала – так называемый фронт – может служить хорошим указанием для синхронизации приемника с передатчиком.

При использовании синусоид в качестве несущего сигнала результирующий код обладает свойством самосинхронизации, так как изменение амплитуды несущей частоты дает возможность приемнику определить момент появления входного кода.

На рисунке 7, а показан уже упомянутый ранее метод потенциального кодирования, называемый также кодированием без возвращения к нулю (Non Return to Zero, NRZ). Последнее название отражает то обстоятельство, что при передаче последовательности единиц сигнал не возвращается к нулю в течение такта. Метод NRZ прост в реализации, обладает хорошей распознаваемостью ошибок, но не обладает свойством самосинхронизации. Даже при наличии высокоточного тактового генератора приемник может ошибиться с моментом съема данных, так как частоты двух генераторов никогда не бывают полностью идентичными. Другим серьезным недостатком метода NRZ является наличие низкочастотной составляющей, которая приближается к нулю при передаче длинных последовательностей единиц или нулей. Из-за этого многие каналы связи, не обеспечивающие прямого гальванического соединения между приемником и источником, этот вид кодирования не поддерживают. В результате в чистом виде код NRZ в сетях не используется.

Рисунок 7 – Способы дискретного кодирования данных

Переносчиком информации является периодическая последовательность импульсов. Она характеризуется такими параметрами, как амплитуда, длительность (ширина) импульса, частота следования импульсов, положение (фаза) каждого импульса на оси времени по отношению к так называемым тактовым точкам. Соответственно различают амплитудно-импульсную (АИМ), широтно-импульсную (ШИМ), частотно-импульсную (ЧИМ) и фазово-импульсную (ФИМ) модуляцию. В ряде случаев непрерывные сигналы квантуются по времени и уровню. Полученные при этом дискретные значения преобразуют в кодовые комбинации, состоящие из импульсов равной амплитуды и длительности, (по существу, в цифровую форму), обеспечивая кодово-импульсную модуляцию (КИМ или ИКМ). Видеоимпульсами КИМ может осуществляться амплитудная, частотная, фазовая и другая модуляция несущего колебания.

Физическое кодирование

Физическое кодирование (линейное кодирование, манипуляция сигнала, модуляция, импульсно-кодовая модуляция) — представления дискретных сигналов, передаваемых по цифровому каналу связи, с целью передачи данных, представленных в цифровом виде, на расстояние по физическому каналу связи (такому как оптическое волокно, витая пара, коаксиальный кабель, инфракрасному излучению). Физическое кодирование также применяется для записи данных на цифровой носитель. При физическом кодировании уделяют внимание на характеристики формируемого сигнала: ширину полосы частот, гармонический состав сигнала, способность к синхронизации приёмника с передатчиком. При физическом кодировании решаются вопросы синхронизации, управления полосой пропускания сигнала, скорость передачи данных и расстояние на которое необходимо передать данные^[1]^[5].

Различают виды передачи дискретных сигналов:

- синхронный способ передачи данных — когда приёмник и передатчик работают синхронно (в один такт);

- асинхронный способ передачи данных — когда приёмник и передатчик работают несинхронно.

Система кодирования сигналов имеет иерархию.

Физическое кодирование

Нижним уровнем в иерархии кодирования является физическое кодирование, которое определяет число дискретных уровней сигнала (амплитуды напряжения, амплитуды тока, амплитуды яркости).

Физическое кодирование рассматривает кодирование только на самом низшем уровне иерархии кодирования — на физическом уровне и не рассматривает более высокие уровни в иерархии кодирования, к которым относятся логические кодирования различных уровней.

С точки зрения физического кодирования цифровой сигнал может иметь два, три, четыре, пять и т. д. уровней амплитуды напряжения, амплитуды тока, амплитуды света.

Ни в одной из версий технологии Ethernet не применяется прямое двоичное кодирование бита 0 напряжением 0 вольт и бита 1 — напряжением +5 вольт, так как такой способ приводит к неоднозначности. Если одна станция посылает битовую строку 00010000, то другая станция может интерпретировать её либо как 10000, либо как 01000, так как она не может отличить «отсутствие сигнала» от бита 0. Поэтому принимающей машине необходим способ однозначного определения начала, конца и середины каждого бита без помощи внешнего таймера. Кодирование сигнала на физическом уровне позволяет приемнику синхронизироваться с передатчиком по смене напряжения в середине периода битов.

В некоторых случаях физическое кодирование решает проблемы:

- Ёмкостного сопротивления — нарастание в проводном канале связи постоянной составляющей (паразитной ёмкости), которое препятствует функциональности электрооборудования;

- Нарушение плотности следования единичных импульсов — при передачи последовательности логических нулей или единиц происходит рассинхронизация передатчика и приемника.

Логическое кодирование

Вторым уровнем в иерархии кодирования является самый нижний уровень логического кодирования с разными назначениями.

В совокупности физическое кодирование и логическое кодирование образуют систему кодирования низкого уровня.

Каждый бит кодового слова передается или записывается с помощью дискретных сигналов, например, импульсов. Способ представления исходного кода определенными сигналами определяется форматом кода. Известно большое количество форматов, каждый из которых имеет свои достоинства и недостатки и предназначен для использования в определенной аппаратуре.

- Формат БВН (без возвращения к нулю) — единичный бит передается в пределах такта уровень не меняется. Положительный перепад означает переход из 0 к 1 в исходном коде, отрицательный — от 1 к 0. Отсутствие перепадов показывает, что значения предыдущего и последующего битов равны. Для декодирования кодов в формате БВН необходимы тактовые импульсы. Соответствующий коду формата БВН сигнал содержит низкочастотные компоненты (при передаче длинных серий нулей или единиц перепады не возникают).

- Формат БВН-1 (без возвращения к нулю с перепадом при передаче 1) — является разновидностью формата БВН. Перепады сигнала формируются при передаче 1, при передаче 0 уровень сигнала не меняется.

- Формат БВН-0 (без возвращения к нулю с перепадом при передаче 0) — является разновидностью формата БВН. Перепады сигнала формируются при передаче 0, при передаче 1 уровень сигнала не меняется. Применяется в многодорожечных системах записи цифровых сигналов. Возможным вариантом является запись двух дополнительных сигналов, соответствующих кодам в форматах БВН-1 и БВН-0.

- Формат ВН (с возвращением к нулю) — требует передачи импульса, занимающего только часть тактового интервала (например, половину), при одиночном бите. При нулевом бите импульс не формируется.

- Формат ВН-П (с активной паузой) — означает передачу импульса положительной полярности при единичном бите и отрицательной — при нулевом бите. Сигнал этого формата имеет в спектре компоненты тактовой частоты. Он применяется в ряде случаев для передачи данных по линиям связи.

- Формат ДФ-0 (двухфазный со скачком фазы при передаче 0) — соответствует способу представления, при котором перепады формируются в начале каждого такта. При единичных битах сигнал в этом формате меняется с тактовой частотой, то есть в середине каждого такта происходит перепад уровня. При передаче нулевого бита перепад в середине такта не формируется, то есть имеет место скачок фазы. Код в данном формате обладает возможностью самосинхронизации и не требует передачи тактовых сигналов.

Направление перепада при передаче сигнала единицы не имеет значения. Поэтому изменение полярности кодированного сигнала не влияет на результат декодирования. Он может передаваться по симметричным линиям без постоянной составляющей. Это также упрощает его магнитную запись. Этот формат известен также под названием «Манчестер 1». Он используется в адресно-временном коде SMPTE, широко применяющемся для синхронизации носителей звуковой и видеоинформации.

Логическое кодирование

Простейший метод кодирования информации – это метод потенциального кодирования (NRZ, называемый также кодированием без возвращения к нулю). Этот метод хорошо работает внутри компьютера, но для передачи информации по сети возникает ряд трудностей. При высоких скоростях обмена данными и длинных последовательностях единиц или нулей небольшое рассогласование тактовых частот генераторов приемника и передатчика может привести к ошибке в целый такт и, соответственно считыванию некорректного значения бита. Для использования потенциального кодирования в компьютерных сетях этот метод кодирования был улучшен, новые методы потенциального кодирования исключают длительные последовательности единиц.

Проблему с длинными последовательностями нулей решает логическое кодирование информации. Два основных метода логического кодирования это – избыточные коды (основаны на введении избыточных бит в исходные данные) и скрэмблирование (перемешивание данных) исходных данных.

Логическое кодирование используется для улучшения потенциальных кодов типа AMI, NRZI или 2Q1B. Логическое кодирование заменяет длинные последовательности нулей, приводящие к постоянному потенциалу, вкраплениями единиц. Улучшенные потенциальные коды обладают более узким спектром, чем импульсные, поэтому они находят применение в высокоскоростных технологиях, таких как FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet.

Избыточные коды основаны на разбиении исходной последовательности бит на порции, которые часто называют символами. Затем каждый исходный символ заменяется на новый, который имеет большее количество бит, чем исходный. Например, логический код 4В/5В, используемый в технологиях FDDI и FastEthernet, заменяет исходные символы длиной в 4 бита на символы длиной в 5 бит. Символы кода 4В/5В длиной 5бит гарантируют, что при любом их сочетании, на линии не могут встретиться более трех нулей подряд. Использование таблицы перекодировки является очень простой операцией, поэтому этот подход не усложняет сетевые адаптеры и интерфейсные блоки коммутаторов и маршрутизаторов.

Для обеспечения заданной пропускной способности линии передатчик, использующий избыточный код, должен работать с повышенной тактовой частотой. Для передачи кодов 4В/5В со скоростью 100 Мбит/с передатчик должен работать с тактовой частотой 125МГц. При этом спектр сигнала на линии расширяется, но несмотря на это он оказывается уже спектра манчестерского кода, что оправдывает этап логического кодирования.

1 Таблица соответствия исходных и результирующих кодов 4В/5В.

Исходный код	Результирующий код	Исходный код	Результирующий код
0000	11110	1000	10010
0001	01001	1001	10011
0010	10100	1010	10110
0011	10101	1011	10111
0100	01010	1100	11010
0101	01011	1101	11011
0110	01110	1110	11100
0111	01111	1111	11101

Скрэмблирование (перемешивание данных скремблером) это второй способ логического кодирования. Методы скремблирования заключаются в побитном вычислении результирующего кода на основании бит исходного кода и полученных в предыдущих тактах бит результирующего кода. Скрэмблер может реализовать следующее соотношение:

B_i= A_i B_i_-3 B_i_-5 ,

где B_i – двоичная цифра результирующего кода, полученная на i –м такте работы скрэмблера, A_i – двоичная цифра исходного кода, поступающая на i – м такте на вход скремблера; -операция исключающего ИЛИ (сложение по модулю 2). Например, для исходной последовательности 110110000001 скрэмблер даст следующий результирующий код:

В₁ =А₁ =1

В₂ =А₂ =1

В₃ =А₃ =0

В₄ = А₄ В₁ = 1 1 = 0

В₅ = А₅ В₂ = 1 1 = 0

В₆ = А₆ В₃ В₁ = 0 0 1 = 1

В₇ = А₇В₄ В₂ = 0 0 1 = 1

В₈ = А₈ В₅ В₃ = 0 0 0 = 0

В₉ = А₉ В₆ В₄ = 0 1 0 = 1

В₁₀ =……………………………….

………………………………………

Таким образом, на выходе скрэмблера появится последовательность 110001101111.

Дескрэмблер восстанавливает исходную последовательность на основании обратного соотношения: С_i= В_i В_i_-3 В_i_-5 = (A_i B_i_-3 B_i_-5) В_i_-3 В_i_-5 = А_i.

Различные алгоритмы скрэмблирования отличаются количеством слагаемых, дающих цифру результирующего кода, и сдвигом между слагаемыми.

Стандарты кабелей

Кабель - состоит из проводников, слоев экрана и изоляции. Иногда в состав кабеля входят разъемы.

Наиболее важные характеристики кабелей:

- Затухание (Attenuation) - измеряется в децибелах на метр для определенной частоты или диапазона частот сигнала.

- Импеданс (волновое сопротивление) - это полное (активное и реактивное) сопротивление в электрической цепи. Импеданс измеряется в Омах.

- Активное сопротивление - это сопротивление постоянному току в электрической цепи. В отличие от импеданса активное сопротивление не зависит от частоты и возрастает с увеличением длины кабеля.

- Емкость - это свойство металлических проводников накапливать энергию. Два электрических проводника в кабеле, разделенные диэлектриком, представляют собой конденсатор, способный накапливать заряд. Емкость является нежелательной величиной, поэтому следует стремиться к тому, чтобы она была как можно меньше (иногда применяют термин «паразитная емкость»). Высокое значение емкости в кабеле приводит к искажению сигнала.

- Электрический шум - это нежелательное переменное напряжение в проводнике. Электрический шум бывает низко-, средне- и высокочастотный. Источниками фонового электрического шума являются линии электропередачи, телефоны и лампы дневного света, компьютеры, принтеры, ксероксы, телевизионные и радиопередатчики, микроволновые печи. Основными источниками импульсного электрического шума являются моторы, переключатели и сварочные агрегаты. Электрический шум измеряется в милливольтах.

- Диаметр или площадь сечения проводника. В европейских и международных стандартах диаметр проводника указывается в миллиметрах.

3.1. Кабели на основе неэкранированной витой пары

Медный неэкранированный кабель UTP в зависимости от электрических и механических характеристик разделяется на 5 категорий.

Кабели категории 1 применяются там, где требования к скорости передачи минимальны.

Кабели категории 2 способны передавать сигналы со спектром до 1 МГц.

Кабели категории 3 используютсядля частот в диапазоне до 16 МГц. Кабель категории 3 предназначен как для передачи данных, так и для передачи голоса.

Кабели категории 4 представляют собой несколько улучшенный вариант кабелей категории 3. Они используются на частоте 20 МГц и обеспечивать повышенную помехоустойчивость и низкие потери сигнала. На практике используются редко.

Кабели категории 5 были специально разработаны для поддержки высокоскоростных протоколов. Поэтому их характеристики определяются в диапазоне до 100 МГц. На этом кабеле работают протоколы со скоростью передачи данных 100 Мбит/с - FDDI, Fast Ethernet, а также более скоростные протоколы - АТМ на скорости 155 Мбит/с, и Gigabit Ethernet на скорости 1000 Мбит/с. Сегодня все новые кабельные системы крупных зданий строятся именно на этом типе кабеля (в сочетании с волоконно-оптическим).

Все кабели UTP независимо от их категории выпускаются в 4-парном исполнении. Обычно две пары предназначены для передачи данных, а две - для передачи голоса.

Для соединения кабелей с оборудованием используются вилки и розетки RJ-45, представляющие 8-контактные разъемы, похожие на обычные телефонные разъемы RJ-11.

Особое место занимают кабели категорий 6 и 7, которые промышленность начала выпускать сравнительно недавно. Для кабеля категории 6 характеристики определяются до частоты 200 МГц, а для кабелей категории 7 - до 600 МГц. Кабели категории 7 обязательно экранируются. Кабель категории 6 может быть как экранированным, так и неэкранированным. Основное назначение этих кабелей - поддержка высокоскоростных протоколов на отрезках кабеля большей длины, чем кабель UTP категории 5. Однако стоимость кабельной системы при использовании кабелей категории 7 получается соизмеримой по стоимости сети с использованием волоконно-оптических кабелей.

3.2.Кабели на основе экранированной витой пары

Экранированная витая пара STP хорошо защищает передаваемые сигналы от внешних помех, а также меньше излучает электромагнитных колебаний вовне, что защищает пользователей сетей от вредного для здоровья излучения. Наличие заземляемого экрана удорожает кабель и усложняет его прокладку, так как требует выполнения качественного заземления. Экранированный кабель применяется только для передачи данных, голос по нему не передают.

3.3. Коаксиальные кабели

Существует большое количество типов коаксиальных кабелей, используемых в сетях различного типа - телефонных, телевизионных и компьютерных. Современные стандарты коаксиальные кабели не описывают, как морально устаревшие.

3.4. Волоконно-оптические кабели

Волоконно-оптические кабели состоят из центрального проводника света (сердцевины) - стеклянного волокна, окруженного другим слоем стекла - оболочкой, обладающей меньшим показателем преломления, чем сердцевина. Распространяясь по сердцевине, лучи света не выходят за ее пределы, отражаясь от покрывающего слоя оболочки. В зависимости от распределения показателя преломления и от величины диаметра сердечника различают:

- многомодовое волокно со ступенчатым изменением показателя преломления (рис. 2, а);

- многомодовое волокно с плавным изменением показателя преломления (рис. 2,6);

- одномодовое волокно (рис. 2, в).

В одномодовом кабеле (Single Mode Fiber, SMF) используется центральный проводник очень малого диаметра, соизмеримого с длиной волны света - от 5 до 10 мкм. При этом лучи света распространяются вдоль оптической оси световода, не отражаясь от внешнего проводника. Изготовление тонких качественных волокон для одномодового кабеля - сложный и дорогой технологический процесс. Также, в волокно маленького диаметра сложно направить пучок света, не потеряв при этом значительную часть его энергии.

В многомодовых кабелях (Multi Mode Fiber, MMF) используются более широкие внутренние сердечники, которые легче изготовить технологически. В стандартах определены два наиболее употребительных многомодовых кабеля: диаметр центрального проводника 62,5 мкм или 50 мкм, диаметр внешнего проводника - 125 мкм.

В многомодовых кабелях во внутреннем проводнике одновременно существует несколько световых лучей, отражающихся от внешнего проводника под разными углами. Угол отражения луча называется модой луча.

В качестве источников излучения света в волоконно-оптических кабелях применяются:

Ø светодиоды –для многомодового оптоволокна;

Ø полупроводниковые лазеры – для одномодового оптоволокна.

Волоконно-оптические кабели обладают отличными характеристиками всех типов: электромагнитными, механическими (хорошо гнутся, а в соответствующей изоляции обладают хорошей механической прочностью). Однако у них есть один серьезный недостаток - сложность соединения волокон с разъемами и между собой при необходимости наращивания длины кабеля.

Методы импульсной модуляции

Импульсная модуляция - изменение параметров импульсных сигналов во времени или в пространстве. Обычно импульсная модуляция представляет собой разновидность модулированных колебаний, где в качестве "переносчика" информации используется последовательность импульсов. Вид импульсной модуляции определяется законом изменения параметров (амплитуды, длительности, фазы, частоты следования) импульсных сигналов.

Дата добавления: 2018-06-27; просмотров: 2501; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 3 4 5 6 789 10 11 12 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!