Передача данных. Аналоговые и цифровые каналы связи

Различают несколько технологий связи, основанных на цифровых каналах передачи данных.

Связь ООД с АКД (например, компьютера с модемом или низкоскоростными периферийными устройствами) чаще всего осуществляется при помощи последовательных интерфейсов RS-232С, RS-422 (их аналогами в системе стандартов ITU являются V.24, V.11), а связь ООД с цифровыми сетями передачи данных - при помощи интерфейсов Х.21, X.35, G.703.

Примечание: Стандарты ITU серии V разрабатывались для передачи информации по телефонным линиям, а стандарты ITU серии X - для передачи данных.

В качестве магистральных каналов передачи данных в США и Японии применяют стандартную многоканальную систему Т1 (иначе DS-1). Она включает 24 цифровых канала, называемых DS-0 (Digital Signal-0). В каждом канале применена кодово-импульсная модуляция с частотой следования отсчетов 8 кГц и с квантованием сигналов по 28 = 256 уровням, что обеспечивает скорость передачи 64 кбит/с на один канал или 1554 кбит/с на аппаратуру Т1. В Европе более распространена аппаратура Е1 с 32 каналами по 64 кбит/с, т.е. с общей скоростью 2048 кбит/с. Применяются также каналы Т3 (или DS-3), состоящие из 28 каналов Т1 (45 Мбит/с) и Е3 (34 Мбит/с) преимущественно в частных высокоскоростных сетях.

В Т1 использовано временное мультиплексирование (TDM). Все 24 канала передают в мультиплексор по байту, образуя 192-битный кадр с добавлением одного бита синхронизации. 24 кадра составляют суперкадр. В суперкадре имеются контрольный код и синхронизирующая комбинация. Сборку информации из нескольких линий и ее размещение в магистрали Т1 осуществляет мультиплексор. Канал DS-0 (один слот) соответствует одной из входных линий, т.е. реализуется коммутация каналов. Некоторые мультиплексоры позволяют маршрутизировать потоки данных, направляя их в другие мультиплексоры, связанные с другими каналами Т1, хотя собственно каналы Т1 называют некоммутируемыми.

При обычном мультиплексировании каждому соединению выделяется определенный слот (например, канал DS-0). Если же этот слот не используется из-за недогрузки канала по этому соединению, но по другим соединениям трафик значительный, то эффективность невысокая. Загружать свободные слоты или, другими словами, динамически перераспределять слоты можно, используя так называемые статистические мультиплексоры на основе микропроцессоров. В этом случае временно весь канал DS-1 или его часть отдается одному соединению с указанием адреса назначения.

В современных сетях важное значение имеет передача как данных, представляемых дискретными сигналами, так и аналоговой информации (например, голос и видеоизображения первоначально имеют аналоговую форму). Поэтому для многих применений современные сети должны быть сетями интегрального обслуживания . Наиболее перспективными сетями интегрального обслуживания являются сети с цифровыми каналами передачи данных, например, сети ISDN.

Сети ISDN могут быть коммутируемыми и некоммутируемыми. Различают обычные ISDN со скоростями от 56 кбит/с до 1,54 Мбит/с и широкополосные ISDN (Broadband ISDN, или B-ISDN) со скоростями 155... 2048 Мбит/с. Более перспективны B-ISDN, в настоящее время технология B-ISDN активно осваивается.

Применяют два варианта обычных сетей ISDN - базовый и специальный. В базовом варианте имеются два канала по 64 кбит/с (эти каналы называют В каналами) и один служебный канал с 16 кбит/с (D канал). В специальном варианте - 23 канала В по 64 кбит/с и один или два служебных канала D по 16 кбит/с. Каналы В могут использоваться как для передачи закодированной голосовой информации (коммутация каналов), так и для передачи пакетов. Служебные каналы используются для сигнализации - передачи команд, в частности, для вызова соединения. Применяют специальные сигнальные системы, устанавливающие перечень и форматы команд. В настоящее время основной сигнальной системой становится система SS7 (Signaling System-7).

Очевидно, что для реализации технологий Т1, Т3, ISDN необходимо выбирать среду передачи данных с соответствующей полосой пропускания.

Схема ISDN показана на рис. 2.5. Здесь S-соединение - 4-проводная витая пара. Если оконечное оборудование не имеет интерфейса ISDN, то оно подключается к S через специальный адаптер ТА. Устройство NT2 объединяет S-линии в одну Т-шину, которая имеет два провода от передатчика и два - к приемнику. Устройство NT1 реализует схему эхо-компенсации (рис. 2.3) и служит для интерфейса Т-шины с обычной телефонной двухпроводной абонентской линией U.

Рис. 2.5. Схема ISDN.

Примером цифровой сети может служить Московская цифровая наложенная сеть (МЦНС), структура которой представлена на рис. 2.6. Здесь, как и во многих других применениях цифровых каналов, Т1/Е1 выполняет роль магистрального канала передачи данных между узловыми станциями (центрами коммутации), а сеть ISDN используется для подключения к магистрали и поэтому носит название соединения "последней мили".
Рис. 2.6. Московская цифровая наложенная сеть

Для подключения клиентов к узлам магистральной сети с использованием на "последней миле" обычного телефонного кабеля наряду с каналами ISDN можно использовать цифровые абонентские линии xDSL. К их числу относятся HDSL (High-bit-rate Digital Subcriber Loop), SDSL (Single Pair Symmetrical Digital Subcriber Loop), ADSL (Asymmetric Digital Subcriber Loop). Например, в HDSL используются две пары проводов, амплитудно-фазовая модуляция без несущей, пропускная способность до 2 Мбит/с, расстояния до 7,5 км. Применяемые для кодирования устройства также называют модемами. Собственно ISDN можно рассматривать, как разновидность xDSL.

Транскрипт

1 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского Национальный исследовательский университет ЦИФРОВЫЕ КАНАЛЫ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ Электронное учебно-методическое пособие Рекомендовано методической комиссией радиофизического факультета для студентов ННГУ, обучающихся по направлениям «Радиофизика» и «Фундаментальная информатика и информационные технологии» Нижний Новгород 2013

2 ЦИФРОВЫЕ КАНАЛЫ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ: Составитель: Ивлев Д.Н. Учебно-методическое пособие. Нижний Новгород: Нижегородский госуниверситет, с. Рецензент: кандидат физ.-мат. наук, доцент Мишагин К.Г. Данное пособие представляет собой конспект лекций по курсу «Цифровые каналы передачи данных». В пособии приводится описание видов и моделей информационных сигналов, описаны основные методы цифровой обработки сигналов в современных цифровых средствах передачи информации. Учебно-методическое пособие предназначено для студентов старших курсов радиофизического факультета, обучающихся по направлениям «Радиофизика» и «Фундаментальная информатика и информационные технологии». 2

3 Введение Курс «Цифровые каналы передачи данный» рассказывает об устройстве цифровых систем связи, сигналах, используемых в цифровых каналах передачи данных и методах обработки этих сигналов. Рассматриваются структура цифровой системы связи, особенности цифровых сигналов, процесс преобразования аналоговых сигналов в цифровые, методы удаления избыточной информации из аналоговых источников, представление информации с помощью низкочастотных сигналов, виды цифровой модуляции, способы получения полосовых сигналов, методы демодуляции сигналов с различными видами цифровой модуляции, вероятности возникновения битовых ошибок в канале с аддитивным белым гауссовским шумом. Описаны возможные компромиссы при выборе значений основных параметров в цифровых системах связи. Приводится материал про широкополосные сигналы, способы их получения и демодуляции, рассмотрены преимущества таких сигналов. 3

4 1. Сигналы и методы их обработки в цифровой системе связи 1.1. Обобщённая структурная схема радиотехнической системы передачи информации Рис. 1. Обобщённая структурная схема радиотехнической системы передачи информации 1.2. Функциональная схема цифровой системы передачи информации Последовательность этапов обработки сигнала в типичной цифровой системе связи удобно представить с помощью функциональной схемы, приведённой на рис. 2. Верхняя часть данной схемы соответствует передающей стороне, нижняя приёмной. Источник и получатель информации могут быть цифровые, либо аналоговые. Кодирование источника преобразование аналогового сигнала в цифровой и удаление из сигнала избыточной информации. Шифрование обеспечивает конфиденциальность связи. Канальное кодирование методы улучшения цифровых сигналов, в результате применения которых сигналы становятся менее уязвимыми к воздействию шума, различных помех, замираний, которые приводят к появлению ошибок в передаче информации. Импульсная модуляция преобразование данных из двоичного представления в форму узкополосного низкочастотного сигнала (видеосигнала). Полосовая модуляция перенос спектра сигнала с импульсной модуляцией на высокую частоту. 4

5 Передатчик осуществляет преобразование сигнала из цифрового в аналоговый, преобразование частоты полосового сигнала до значения несущей частоты, усиление мощности сигнала и его подача в канал передачи. Канал передачи (среда распространения сигнала) добавляет к сигналу шумы, помехи, производит частотные искажения сигнала. Получатель информации Декодирование источника Дешифрование Канальное декодирование Выравнивание и различение Демодуляция Приёмник Канал передачи Источник информации Кодирование источника Шифрование Канальное кодирование Импульсная модуляция Полосовая модуляция Передатчик Рис. 2. Функциональная схема типичной системы цифровой связи Приёмник фильтрация, усиление и преобразование частоты принимаемого сигнала, преобразование сигнала из аналоговой формы в цифровую. Демодуляция превращение радиосигнала в низкочастотный импульсный сигнал. Выравнивание устранение искажений сигнала, вызванных многолучевым распространением в канале передачи. Различение сигнала принятие решения о цифровых значениях принятых символов сигнала. В результате этого импульсный сигнал преобразуется в поток битов. Канальное декодирование осуществляется исправление части ошибочно распознанных битов данных (не больше некоторого фиксированного количества). Дешифрование операция, обратная шифрованию. Декодирование источника в сигнал возвращается избыточная информация, удалённая из него в процессе кодирования источника, а также 5

6 сигнал источника переводится в аналоговую форму (в случае аналогового источника информации) Кодирование источника Дискретизация и квантование Преобразование аналоговых сигналов в цифровые осуществляется в два этапа: дискретизация и квантование. Дискретизация взятие отсчётов (выборок) сигнала через равные промежутки времени (рис. 3). Полученный таким образом дискретный сигнал, состоящий из узких импульсов с амплитудой, равной амплитуде сигнала в момент взятия отсчёта, называют сигналом с амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ, PAM pulse amplitude modulation). Рис. 3. Дискретизация непрерывного сигнала Рис. 4. Математическая модель дискретного сигнала 6

7 Спектральная плотность дискретного сигнала: 1 X s (f) = X (f) X δ (f) = X (f nf s). (1) τ n= Рис. 5. Спектр дискретного сигнала при условиях f s > 2f m (а) и f s < 2f m (б) Условие восстановления аналогового сигнала из дискретного (теорема Котельникова, критерий Найквиста): f s > 2f m или τ 1/(2f m). (2) Квантование процесс дискретизации значений выборок дискретного сигнала. Рис. 6. Уровни квантования 7

8 q 2V p = интервал (шаг) квантования. L Рис. 7. Варианты проходной характеристики равномерного устройства квантования e(t) = y(t) x(t) ошибка квантования (шум квантования). Рис. 8. Ошибки квантования в зависимости от значений входных выборок Средняя мощность шума квантования для равномерно распределённой вероятности ошибок квантования: q / 2 q / q N q = e p(e) de = e de =, (3) q 12 q / 2 1 q q, e [, ] q 2 2 где p (e) =. q q 0, e [, ] 2 2 Данная формула справедлива, если уровень сигнала x(t) не превышает границы диапазона квантования V ; + V), иначе N q будет являться квадратично (p p возрастающей функцией амплитуды входного сигнала x(t). Аналогично можно показать, что средняя мощность случайного сигнала с равномерным распределением в границах диапазона квантования будет определяться формулой 8 q / 2

9 P x V p V p V p 2 V 2 2 p (x) = x p dx = V p x 1 2V p dx = 3. (4) 2V p Учитывая, что q =, для равномерно квантующего устройства с L L = 2 b уровнями квантования, не работающего в области насыщения, отношение мощности шума квантования к мощности входного сигнала будет определяться следующим выражением: ОШС = N q /P x = 2-2b. Выражая данное отношение в децибелах, получим: ОШС дб = 10 lg (ОШС) 6,02b. (5) На практике распределение сигнала обычно не является равномерным; в этом случае к правой части выражения (5) добавляется константа, зависящая от функции плотности вероятности квантуемого сигнала: ОШС дб 6,02b + C. (6) Константа C является положительной для функций плотности вероятности сигнала, являющихся узкими по отношению к уровням насыщения устройства квантования, и равна нулю для равномерной плотности вероятности. Как видно из (6), при увеличении разрядности устройства квантования на 1 бит отношение шум/сигнал уменьшается примерно на 6 дб (в 4 раза по мощности). Соответственно, отношение сигнал/шум увеличивается на такую же величину. Рис. 9. Отношение шум/сигнал при квантовании в зависимости от параметров сигнала 9

10 Рис. 10. Импульсно-кодовая модуляция Каждый уровень квантования можно кодировать последовательностью b = log2 L бит, а каждый бит представить импульсом с двумя возможными значениями амплитуды. Полученный таким образом сигнал называют сигналом с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ, PCM pulse code modulation). Процесс преобразования аналогового сигнала в ИКМ последовательность показан на рис. 10. Дискретизованный и квантованный сигнал, представленный последовательностью квантованных выборок, каждая из которых представлена конечным набором битов, является цифровым сигналом. Устройство, преобразующее непрерывный аналоговый сигнал в ИКМ последовательность, называется аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Зависимость ОСШ от уровня входного сигнала приводит к различиям в качестве связи для пользователей с различной силой голоса, поэтому её необходимо устранить. Данная проблема разрешается посредством неравномерного квантования, когда меньшие уровни сигнала квантуются с меньшим шагом, а большие с большим. Данная операция чаще всего осуществляется по схеме, приведенной на рис. 11. Пара преобразований сигнала сжатие (compressing) и расширение (expanding) называется компандированием (companding). Оптимальный вид характеристики сжатия, при котором минимизируется шум квантования, зависит от функции плотности вероятности значений сигнала. Чаще всего такая функция неизвестна, и желательно иметь характеристику сжатия, которая давала бы постоянное (пусть и не минимальное) значение отношения сигнал/шум для произвольных статистик сигнала. Можно показать , что такой функцией является логарифмическая функция (рис. 12). 10

11 Рис. 11. Устройство неравномерного квантования Рис. 12. Логарифмическое сжатие В Европе для описания характеристики устройства сжатия используется A-закон (рис. 13, а): x A xmax x 1 ymax sgn x для 0 < 1 + ln A xmax A y =. (7) x 1 + ln A xmax 1 x ymax sgn x для < < ln A A xmax Стандартным значением параметра A является для 8-битового квантования. В стандарте, использующем A-закон, применяется равномерно квантующее устройство, имеющее характеристику с нулём на границе шага квантования. В Северной Америке был введён µ-закон сжатия (рис. 13, б): ln[ 1+ µ (x / xmax)] y = ymax sgn x. (8) ln(1+ µ) Стандартное значение µ = 255 для 8-битового квантователя позволяет получить отношение сигнал/шум, равное приблизительно 38 дб, для значительного диапазона мощностей квантуемого сигнала. 11

12 Рис. 13. Характеристики сжатия для А-закона (а) и µ-закона (б) Рис. 14. Зависимость отношения сигнал/шум от уровня входного сигнала Дифференциальная импульсно-кодовая модуляция На рис. 15 приведена автокорреляционная функция для типичных речевых сигналов. Широкая, медленно меняющаяся функция корреляции свидетельствует о том, что при переходе от выборки к выборке амплитуда слабо меняется, и для ее полного изменения требуется временной интервал, превышающий радиус корреляции. Избыточность речевого сигнала, связанная с высокой коррелированностью отсчетов, позволяет предсказать значение следующего выборочного отсчета на основании предыдущих значений. 12

13 Рис. 15. Автокорреляционная функция типичного речевого сигнала В частности, реализацией подобного алгоритма является дифференциальная импульсно-кодовая модуляция (ДИКМ, DPCM differencial PCM). ДИКМ базируется на передаче от выборки к выборке разности между истинным и предсказанным значениями сигнала (рис. 16). Рис. 16. N-отводный дифференциальный импульсно-кодовый модулятор/демодулятор с предсказанием При N-отводном предсказании каждое последующее выборочное значение вычисляется на основе линейной комбинации предшествующих N выборочных значений. Уравнение N-отводного предсказания имеет следующий вид: x(n n 1) = a1 x(n 1) + a2x(n 2) + K + an x(n N), (9) где x(n m) оценка x в момент n при всех выборках, собранных за время m, а a j коэффициенты предсказания. В показано, что оптимальные opt коэффициенты предсказания a j, минимизирующие среднеквадратичную ошибку предсказания, записываемую как { 2 } { d 2 (n) } = E [ x(n) x(n n 1) ] E, (10) где символ E означает усреднение по выборкам, находятся из следующей системы уравнений: 13

14 (1) (2) (0) Rx (1) K Rx (N + 1) (1) R (0) K R (N + 2) Rx Rx a1 R x R x x x a 1 =. (11) M M M O M M Rx (N) Rx (N 1) Rx (N 2) K Rx (0) an Левой частью этой системы является вектор значений корреляционной функции входного сигнала, а в правой находятся корреляционная матрица входного сигнала и определяемый из этой системы вектор оптимальных весовых коэффициентов. Мощность среднеквадратичной ошибки при этом определяется следующим выражением: opt opt opt () = R (0) 1 a C (1) a C (2) K a C (N) Rd 0 x 1 x 2 x N x, (12) где R d (n) автокорреляционная функция ошибки предсказания, C x (n) = Rx (N)/ Rx (0) нормированная автокорреляционная функция входного сигнала. Кодер характеризуют коэффициентом, равным R x(0) / Rd (0) и называемым выигрышем от предсказания (или усилением предсказания). Для оптимального предсказателя данный коэффициент всегда больше единицы (может составлять до 6-8 дб при фиксированных коэффициентах a opt относительно ИКМ) Дельта-модуляция Значение оптимального коэффициента для одноотводного предсказания opt a = Cx (1). При высокой степени корреляции между отсчетами входного сигнала x(n) (для этого необходимо делать выборки с частотой, далеко превосходящей частоту Найквиста) для одноотводного предсказателя значение a opt стремится к единице, тогда уравнение предсказания и выражение для ошибки модулятора принимают следующий вид: x (n n 1) = x(n 1), d (n) = x(n) x(n 1). (13) Дифференциальный модулятор с одноотводным предсказанием, описываемый данными формулами, называется δ-модулятором (рис. 17). opt Рис. 17. Одноотводный однобитовый кодер/декодер DPCM (дельта-модулятор) 14

15 Рис.18. Процесс дельта-модуляции Основным преимуществом δ-модуляции является простота её реализации Адаптивная дифференциальная ИКМ (АДИКМ) Более эффективным решением при изменяющейся во времени статистике сигнала является применение адаптивной дифференциальной импульснокодовой модуляции, рис. 19 (АДИКМ). Рис. 19. Адаптивный дифференциальный импульсно-кодовый модулятор/демодулятор В кодере коэффициенты предсказания обновляются с определённым периодом и передаются вместе с информационным сигналом по каналу связи в 15

16 декодер. При 10-отводном фильтре предсказания и интервале обновления 20 мс усиление предсказания достигает величины дб Другие алгоритмы кодирования источника Кодирование аналоговых источников (с потерей информации): адаптивные ДИКМ и δ-модуляция; MPEG, JPEG; вокодеры (CELP, RPE,); Кодирование цифровых источников (без потери информации): коды Хаффмана; коды Лемпеля-Зива; 1.4. Импульсная модуляция Существует много различных способов представления цифровых данных с помощью импульсов, несколько таких способов представлены на рис Спектр таких импульсов является достаточно широким, что требует соответствующей ширины полосы пропускания канала передачи. Рис. 20. ИКМ-сигнал в кодировке NRZ-L (БВН) (NRZ-L nonreturn-to-zero level, БВН без возвращения к нулю) Рис. 21. Представление ИКМ-сигнала в виде коротких импульсов 16

17 Рис. 22. Манчестерское кодирование Для сужения полосы сигнала в передатчике применяют фильтр. Однако после фильтрации каждый импульс размывается, уширяется во времени, перекрываясь с соседними импульсами и искажая их, что повышает вероятность ошибки в процессе обнаружения при определении значения передаваемых импульсов. Процесс перекрытия соседних импульсов получил название межсимвольной интерференции. Чтобы избежать влияния межсимвольной интерференции, возникающей из-за ограничения сужения спектра сигнала, для фильтрации применяют специальные фильтры, называемые фильтрами Найквиста. Рис. 23. АЧХ идеального фильтра Найквиста и его импульсные отклики Импульсные отклики фильтра Найквиста обеспечивают отсутствие межсимвольных искажений в моменты времени, в которые берутся выборки для принятия решений относительно переданных с периодом T символов. Так, для идеального фильтра Найквиста (рис. 23), имеющего прямоугольную форму АЧХ, импульсная характеристика имеет вид: sin(t / T) h(t) = sinc(t / T) =, h (t kt) = 0, k = ± 1, ± 2,... (14) t / T Физически реализуемыми являются фильтры Найквиста с амплитудночастотными характеристиками в виде приподнятого косинуса (рис. 24): 17

18 1, f < 2W0 W 2 π f + W 2W0 H (j2π f) = cos, 2W 0 W < f < W (15) 4 W W0 0, f > W где W максимальная ширина полосы, W 0 = 1/(2T) минимальная ширина полосы (для идеального фильтра), r = (W-W 0)/W 0 коэффициент сглаживания (roll-off factor), 0 r 1. Импульсные характеристики фильтров с АЧХ (15) определяются следующим образом: cos[ 2π (W W0) t] h(t) = 2W 0 sinc(2w 0t). (16) 1 4(W W) t 2 0 Рис. 24. Амплитудно-частотные (а) и импульсные (б) характеристики фильтров Найквиста типа приподнятого косинуса Ширина полосы системы с фильтром Найквиста c АЧХ типа приподнятого косинуса для сигнала в основной полосе частот будет равна: 1 r W = 1 (1 + r) Rs = +. (17) 2 2T Важной характеристикой сигналов с импульсной модуляцией является глазковая диаграмма (рис. 25). По ней можно определить уровень межсимвольной интерференции в канале, а также качество работы систем символьной синхронизации, вычисляющих моменты взятия отсчётов в сигнале для определения передаваемой информации. 18

19 1.5. Полосовая модуляция Рис. 25. Получение глазковой диаграммы При полосовой модуляции передаваемая информация кодируется параметрами несущей: её амплитудой, частотой и фазой. Поэтому различают соответственно амплитудную, частотную и фазовую модуляцию, а также их смешанные комбинации. Модуляция может иметь непрерывный или скачкообразный характер. При непрерывной модуляции параметры несущей являются непрерывными функциями времени; если же они меняются скачком в определённые моменты времени, то такая модуляция называется манипуляцией. Непрерывная модуляция применяется в аналоговых системах связи, а манипуляция является признаком цифровых систем связи, поскольку информация в них представлена в виде дискретных символов. В общем виде модулированная несущая записывается следующим образом: s(t) = A(t)cos[ ω 0t + ϕ(t)], (18) где ω 0 частота несущей, A(t), ϕ(t) её амплитуда и фаза. Часто амплитуду сигнала удобно записывать через его среднюю мощность или энергию: 2E s(t) = A(t)cosωt = 2P cosωt = cosωt, T где P мощность сигнала, E энергия одного элемента сигнала (символа) длительности T. Модулированная несущая является полосовым сигналом (её 19

20 спектр сосредоточен в некоторой достаточно узкой полосе частот около несущей частоты). Сравнение спектров полосового сигнала и сигнала в основной полосе частот (низкочастотного) приведено на рис. 26. Рис. 26. Спектр полосового сигнала Демодуляция принятого полосового сигнала (18) может быть когерентной или некогерентной. Если при демодуляции приёмник использует информацию о начальной фазе несущей, демодуляция является когерентной, если данная информация не используется, то демодуляция некогерентная. Соответственно различают когерентный и некогерентный приёмники. Вместо термина демодуляция в цифровой связи как синонимы часто используются термины обнаружение и различение, хотя демодуляция делает акцент на восстановлении сигнала, а обнаружение и различение на принятии решения относительно символьного значения принятого сигнала. Иногда в последние два термина вкладывается разный смысл: под обнаружением понимают принятие решения о том, был ли передан сигнал, кодирующий 1, или была пауза, обозначающая 0 при бинарной передаче, а под различением принятие решения относительно символьного значения принятого сигнала в системах, где для передачи информации используются не менее двух разных сигналов. На рис. 27 представлены наиболее распространённые форматы цифровой модуляции: ASK (amplitude shift keying амплитудная манипуляция), PSK (phase shift keying фазовая манипуляция), FSK (frequency shift keying частотная манипуляция) и смешанная комбинация ASK и PSK (ASK/PSK или APK). В общем случае M-арной передачи сигналов устройство обработки получает k бит в каждый момент времени и указывает модулятору произвести один из M = 2 k возможных сигналов, т. е. за каждый символьный интервал передаётся k = log 2 M бит, что позволяет реализовать определённые компромиссы между скоростью передачи битов, полосой пропускания системы, вероятностью битовой ошибки и мощностью сигнала. Например, для модуляций APK и PSK можно в k раз повысить скорость передачи битов при той же ширине полосы канала, либо при фиксированной скорости передачи сузить необходимую полосу пропускания в k раз. Подробнее о компромиссах 20

21 при использовании M-арной модуляции будет сказано ниже. Частным случаем M-арной модуляции является бинарная с k = 1. Рис. 27. Виды цифровых модуляций: а) PSK; б) FSK; в) ASK; г) APK Фазовая манипуляция При M-арной фазовой манипуляции (MPSK multiple phase shift keying) сигнал имеет следующий вид: 2E 2πi s i (t) = cos[ ω 0 t + ], 0 t T, i = 1, M, (19) T M где E энергия символа, T время передачи символа. При M=2 и M=4 фазовая манипуляция имеет специальные названия двоичная фазовая манипуляция (BPSK binary phase shift keying) и квадратурная фазовая манипуляция (QPSK quadrature phase shift keying). Векторная диаграмма сигнала QPSK приведена на рис. 28. Сигнал с модуляцией QPSK можно представить в виде суммы синфазной и квадратурной компонент (отсюда название квадратурная): 21

23 в спектре (причина механизм, называемый преобразованием амплитудной модуляции в фазовую). Эти боковые полосы отбирают дополнительную мощность источника питания и могут создавать помехи соседним по частоте каналам или другим системам связи. При фильтрации сигнала с модуляцией QPSK фазовый сдвиг на 180 вызовет обращение огибающей в нуль. В модуляции OQPSK максимальный фазовый сдвиг составляет 90, что при фильтрации приводит лишь к лёгкому спаду огибающей (примерно на 30%). Рис. 29. Потоки данных при модуляции QPSK Рис. 30. Потоки данных при модуляции OQPSK Рис. 31. Сигналы: а) QPSK; б) OQPSK 23

24 Частотная манипуляция Общее выражение для сигнала с частотной манипуляцией имеет следующий вид: 2E s (t) = cos(ω t + ϕ), 0 t T, i = 1 M. (21) i i, T Здесь частота ω i может принимать M дискретных значений, а фаза ϕ является произвольной константой. Изображение сигнала в модуляции FSK дано на рис. 27, б для случая M = 3 без разрыва фазы. В общем случае многочастотной манипуляции (MFSK) переход к другому тону может быть довольно резким (со скачком фазы). Если все сигналы ортогональны между собой, т. е. T 0 s (t) s i j (t) dt = 0, i векторами в M-мерном пространстве. j, то они описываются взаимно перпендикулярными Амплитудная манипуляция Сигнал с амплитудной манипуляцией, изображённый на рис. 27, в, описывается выражением: 2Ei (t) si (t) = cos(ω 0 t + ϕ), 0 t T, i = 1, M, (22) T где энергия символа E i (t) может принимать M дискретных значений, а фаза ϕ произвольная константа Амплитудно-фазовая манипуляция Сигнал c APK изображён на рис. 27, г, и выражается как 2Ei (t) si (t) = cos[ ω 0 t + ϕi (t)], 0 t T, i = 1, M. (23) T В приведённом на рис. 27, г примере M = 8, и можно видеть одновременные (в моменты переходов между символами) скачки амплитуды и фазы. При изображении набора сигналов какой-либо схемы модуляции (ASK, PSK, APK) в полярной системе координат обычно изображают только концы векторов сигналов, при этом получается набор точек на плоскости, называемый сигнальным созвездием. На рис. 32 показаны сигнальные созвездия для нескольких видов модуляций. 24

25 Рис. 32. Сигнальные созвездия для модуляций QPSK, 8-PSK и QAM-16 Амплитудно-фазовую манипуляцию, при которой сигнальное созвездие является симметричной решёткой (например, как у QAM-16 на рис. 32), называют квадратурной амплитудной модуляцией (QAM quadrature amplitude modulation). На рис. 33 показаны схемы модуляторов для описанных видов модуляций. На рис. 33, а изображён модулятор для бинарных (M = 2) ASK и BPSK. Блок формирования импульса производит фильтрацию сигнала PCM с целью сужения ширины полосы сигнала (фильтр Найквиста). В случае M-арной ASK перед блоком формирования импульса должен присутствовать кодер, переводящий сигнал из бинарной импульсно-кодовой модуляции в M-уровневую амплитудно-импульсную (АИМ), осуществляя, таким образом, модуляцию импульсов по амплитуде. Рис. 33. Структурные схемы модуляторов для различных видов модуляций: а) для ASK, BPSK; б) для MFSK; в) для любого вида модуляции 25

26 Рис. 33, б описывает структуру модулятора для формирования сигнала c M-арной частотной манипуляцией, а модулятор на рис. 33, в осуществляет все виды M-арных фазовых или амплитудно-фазовых манипуляций. Такая схема на рис. 33, в называется квадратурным модулятором, т. к. использует два канала на одной частоте, несущие в которых ортогональны. В этом случае кодер разделяет входной поток битов на чётные и нечётные биты, при этом чётные биты обрабатываются одним каналом, а нечётные другим. Кроме этого, кодер (перед преобразованием сигналов обоих каналов в M-уровневую АИМ) часто выполняет кодирование в соответствии с кодом Грея, описанным ниже. Сигнал на выходе квадратурного модулятора формируется в соответствии с формулой (20), в которой d I (t) и d Q (t) являются сигналами с M-уровневой АИМ Оптимальный корреляционный приёмник для канала с аддитивным белым гауссовским шумом На рис. 34 показаны два варианта построения оптимального алгоритма приёма сигналов в канале с аддитивным белым гауссовским шумом (АБГШ). Входной сигнал приёмника задан в виде: r(t) = si (t) + n(t), 0 t T, i = 1, M, (24) где s i (t) переданный сигнал, n(t) АБГШ. Рис. 34. Варианты оптимального корреляционного приёмника для канала с АБГШ: а) с опорными сигналами в виде передаваемых символов, б) с опорными сигналами в виде базисных функций 26

27 В первом варианте (рис. 34, а) количество каналов приёмника равно количеству передаваемых символов в системе связи. В случае, когда всё множество передаваемых сигналов, соответствующих различным символам, можно представить в некотором ортогональном базисе {ψ j (t)}, количество функций которого меньше, чем количество символов, то количество каналов приёмника также может быть уменьшено. Сигналы выражаются через базисные функции следующим образом: s (t) a ψ (t), (25) i = N j= 1 ij T T 1 где aij si (t) j (t) dt, j (t) k (t) dt K j jk, K ψ ψ ψ = 1, j = k = δ δ jk = j, k = 1, K, N. j 0 0 0, j k По значениям сигналов на выходах интеграторов в момент времени T, соответствующий окончанию интегрирования на длительности одного символа, схема принятия решений определяет переданный символ. В случае двоичной модуляции любого вида количество каналов оптимального корреляционного приёмника может быть уменьшено до одного (рис. 35). j Рис. 35. Двоичный корреляционный приёмник Приёмники на рис. 34, 35 являются когерентными, т.е. требуют, чтобы начальные фазы входного сигнала и опорных сигналов были одинаковы на каждом символьном интервале. Это обеспечивается специальной системой фазовой синхронизации. На рис. 36 показаны структурные схемы корреляционного когерентного приёмника двоичных сигналов и передатчика, содержащие минимальный набор необходимых блоков. Рис. 36. Корреляционный когерентный приёмник двоичных сигналов и передатчик 27

28 В передатчике спектр входного двоичного сигнала сужается с помощью ФНЧ до ширины полосы канала передачи, осуществляется модуляция несущей низкочастотным сигналом с выхода ФНЧ, после чего полученный полосовой сигнал фильтруется полосовым фильтром (ПФ), подавляющим продукты нелинейного преобразования в модуляторе, и передаётся в канал передачи. В канале к сигналу добавляются шумы и помехи. Искажённый входной сигнал фильтруется полосовым фильтром приёмника с целью подавления части шумов и помех, спектр которых лежит вне полосы приёма. Далее сигнал демодулируется, проходя через преобразователь частоты (перемножитель) и ФНЧ, заменяющий интегратор на рис. 35, и происходит различение в схеме принятия решений, которая представляет собой схему сравнения с порогом. Схема восстановления несущей (СВН) осуществляет восстановление несущего колебания, устраняя его модуляцию информационным сигналом и позволяя, таким образом, получить опорный сигнал с такой же частотой и начальной фазой, как и у принимаемого сигнала (когерентный приём). Схема восстановления тактовой частоты (СВТЧ) выполняет тактовую (символьную) синхронизацию, т.е. выделяет те моменты времени, в которые необходимо брать выборки в сигнале на выходе ФНЧ для подачи на пороговое устройство Когерентный приём сигналов с фазовой манипуляцией Сигнал в модуляции MPSK выражается следующим образом: 2E 2πi s i (t) = cos 0 t, 0 t T, i = 1, M T ω M. Здесь E энергия сигнала за время передачи символа T. Для представления сигналов s i (t) удобно использовать следующий ортонормированный базис: 2 2 ψ 1(t) = cosω0t, ψ 2(t) = sinω0t. (26) T T Запишем сигнал s i (t) в данном базисе: 2πi 2πi si (t) = ai1ψ 1(t) + ai2ψ 2(t) = E cos ψ 1(t) + E sin ψ 2(t). (27) M M Структура демодулятора сигналов MPSK показана на рис. 37. Рис. 37. Демодулятор сигналов MPSK 28

29 Корреляторы вычисляют функции X = T 0 T r(t) ψ 1 (t) dt и Y = r(t) ψ 2 (t) dt (здесь r(t) = s i (t) + n(t) принятый сигнал, n(t) белый гауссовский шум), отношение которых даёт оценку фазы принятого сигнала. Полученная оценка сравнивается с фазами-прототипами, и выбирается значение фазы, ближайшее к фазе переданного сигнала. Данная схема демодуляции является когерентной, т. е. требует, чтобы фазы базисных опорных сигналов ψ 1(t) и ψ 2(t) были согласованы с начальной фазой передаваемого сигнала. Если согласование по фазе будет отсутствовать, демодулятор будет выдавать неверные значения фазы Когерентный приём сигналов с частотной манипуляцией Сигнал MFSK описывается формулой (21). Обычно разница между соседними частотами выбирается кратной 1/2T, чтобы сигналы были ортогональны между собой. В этом случае сигналы-прототипы s i (t) будут одновременно являться (с точностью до постоянного множителя) 2 ортонормированными базисными функциями ψ i (t) = cosωit. Расстояние T между любыми двумя векторами ортонормированных сигналов-прототипов s i и s j является постоянным: d (s, s) = s s = 2E для i j. i j Структура корреляционного приёмника показана на рис. 38. i j 0 Рис. 38. Когерентная демодуляция сигналов MFSK Поскольку все сигналы-прототипы (или базисные функции) ортогональны, при идеальных условиях лишь один из корреляторов даст на выходе ненулевой сигнал Когерентный приём сигналов с амплитудно-фазовой манипуляцией Сигнал в модуляции APK можно представить в следующем виде: 2Ei (t) si (t) = cos[ ω 0t + ϕi (t)] = ai1ψ 1(t) + ai2ψ 2(t), (28) T 29

30 2 2 2πi 2πi где ψ 1(t) = cosω0t, ψ 2(t) = sinω0t ai1 = Ei cos, ai2 = Ei sin. T T M M a i1 и a i2 являются координатами точки в сигнальном созвездии (в осях sin ω 0 t и cos ω 0 t), изображающей переданный символ. Демодулятор имеет структуру, показанную на рис. 39. Рис. 39. Демодулятор сигналов APK (квадратурный демодулятор) Некогерентный приём сигналов с дифференциальной фазовой манипуляцией Дифференциальная фазовая манипуляция (DPSK differential phase shift keying) часто называется также относительной фазовой модуляцией (ОФМ). Основа дифференциального когерентного обнаружения сигналов с DPSK состоит в следующем. В процессе демодуляции в качестве опорной фазы применяется фаза сигнала предыдущего интервала передачи символа. Её использование требует дифференциального кодирования последовательности сообщений в передатчике, поскольку информация кодируется разностью фаз между двумя последовательными импульсами. Для передачи i-го сообщения (i = 1, 2, M) фаза текущего сигнала должна быть смещена на ϕ i = 2πi/M радиан относительно фазы предыдущего сигнала. Демодулятор вычисляет фазу поступившего импульса и сравнивает его с фазой предыдущего импульса. По разности этих фаз определяется значение переданного символа. Вычисление фазы может производиться так же, как на рис. 37, с тем отличием, что базисные сигналы синхронизируются с принимаемым сигналом только по частоте. Модуляция DPSK менее эффективна, чем PSK, поскольку в первом случае вследствие корреляции между сигналами ошибки могут распространяться на соседние времена передачи символов. PSK и DPSK отличаются тем, что в первом случае принятый сигнал сравнивается с идеальным опорным, а во втором два зашумлённых сигнала, поэтому модуляция DPSK даёт вдвое больший шум, чем PSK. Преимущество DPSK в меньшей сложности схемы, не требующей синхронизации по фазе. 30

31 Рассмотрим пример бинарной модуляции DPSK (DBPSK, ОФМ-2). На рис. 40 представлено дифференциальное кодирование двоичного потока сообщений m(k), где k индекс дискретизации. Дифференциальное кодирование начинается (третья строка на рисунке) с произвольного выбора первого бита кодовой последовательности c(k = 0) (в данном случае выбрана единица). Затем последовательность закодированных битов c(k) кодируется одним из двух способов: c(k) = c(k 1) m(k) (29) или c(k) = c(k 1) m(k), (30) Рис. 40. Дифференциальное кодирование где символ обозначает сложение по модулю 2 (операция исключающее «или»), а черта над выражением означает инверсию. На рис. 41 была использована формула (30). Другими словами, текущий бит кода c(k) равен единице, если бит сообщения m(k) совпадает с предыдущим закодированным битом c(k 1), в противном случае c(k) = 0. В четвёртой строке рисунка кодированная последовательность битов c(k) преобразовывается в последовательность сдвигов фаз θ(k), где единица представляется сдвигом фазы на π, а ноль нулевым сдвигом. Декодирование битов сообщения в приёмнике, закодированных по формуле (30), производится в соответствие со следующей логикой: m (k) = c(k) c(k 1). На рис. 41 показана схема приёма сигнала с модуляцией DBPSK. Рис. 41. Демодуляция сигнала DPSK 31

32 Некогерентный приём сигналов с частотной манипуляцией На рис. 42 показан некогерентный демодулятор сигналов с модуляцией 2 2 2FSK. Базисными функциями являются функции sinωit; cosω i t. T T Каждый канал состоит из двух корреляторов и схемы выделения квадрата огибающей. Если передаётся символ с частотой ω 1, то в силу ортогональности сигналов c частотами ω 1 и ω 2 на длине символьного интервала T на выходе первого (верхнего) канала будет ненулевое напряжение (в отсутствие шумов), а на выходе второго канала нулевое. Рис. 42. Некогерентная демодуляция сигналов с частотной манипуляцией Можно показать , что для обеспечения ортогональности сигналов с произвольной разностью начальных фаз на интервале Т необходимо, чтобы 2π разность между соседними частотами была равна ωi ωi 1 =. T 1.6. Критерий принятия решений в двоичном когерентном приёмнике Схема принятия решений в двоичном когерентном приёмнике принимает и сравнивает с пороговым значением выборки на выходе коррелятора z(T) = ai (T) + n0 (T), i = 1, 2. Величина z(t) является гауссовой случайной величиной со средним значением a i (t). 32

33 Примем две статистические гипотезы относительно принятого сигнала: H1 был передан сигнал s 1, H2 был передан сигнал s 2. Наиболее естественным является выбор такого критерия принятия решений о принятом сигнале, который обеспечивает выбор наиболее вероятной из гипотез H1 и H2 при определённом значении выборки z(t):, (31) где P(s 1 z), P(s 2 z) апостериорные вероятности передачи сигналов s 1 и s 2. Используя теорему Байеса в виде P(z s1,2) P(s1,2) P (s1,2 z) =, P(z) преобразуем (31) к виду:. (32) Критерий (32) называется критерием отношения правдоподобий (или критерием максимума апостериорной вероятности, или критерием минимума ошибки). P(s 1), P(s 2) в (32) априорные вероятности гипотез H 1 и H 2 (априорные вероятности передачи сигналов s 1 и s 2). Чаще всего в системах связи P(s 1) = P(s 2), в этом случае критерий (32) упрощается:. (33) Критерий (33) называется критерием максимального правдоподобия. Данное название обусловлено тем, что функции, входящие в числитель и знаменатель дроби в (33) называются функциями правдоподобия. Вид данных функций для канала с АБГШ задаётся выражением для распределения гауссовской случайной величины: 2 1 (z a 1,2) P (z s1,2) = exp 2. (34) 2πσ 2σ Вид этих функций показан на рис. 43. Подставляя (34) в (33), получим: Рис. 43. Функции правдоподобия 33

34 После логарифмирования обеих частей выражении (35) получим: Из (35) после упрощения следует: 34. (35). (36). (37) Выражение (37) представляет собой решающее правило для двоичного когерентного приёмника при равенстве априорных вероятностей передачи сигналов. Для двоичных фазовой и частотной манипуляций (BPSK и BFSK) a 1 = a 2 и γ=0, а для двоичной амплитудной манипуляции (BASK) a 1 =0 и γ=a 2 /2, где a 1 и a 2 определяются уровнем усиления сигнала Вероятность ошибок в двоичном когерентном приёмнике Одним из важнейших критериев производительности цифровых систем связи является зависимость вероятности появления ошибочного бита P b от отношения энергии сигнала, приходящейся на один бит, к спектральной плотности мощности аддитивного белого гауссовского шума E b /N 0. Данное отношение часто называют энергетическим отношением сигнал/шум. При этом предполагается, что единственным источником искажений сигнала является тепловой шум (АБГШ). Удобство использования отношения E b /N 0 вместо отношения мощности сигнала к мощности шума S/N (соотношение сигнал/шум по мощности), как в аналоговых системах связи, состоит в том, что так удобнее сравнивать производительность цифровых систем на битовом уровне. Это важно для цифровых систем, поскольку сигнал может иметь произвольное n- битовое значение (один символ может кодировать n бит). Предположим, что для данной вероятности возникновения ошибки в цифровом двоичном сигнале требуемое отношение S/N = 20. Поскольку двоичный сигнал имеет однобитовое значение, требуемое отношение S/N на бит равно 20. Пусть теперь сигнал является 1024-уровневым с теми же 20 единицами требуемого отношения S/N. Теперь, поскольку сигнал имеет 10-битовое значение, требуемое отношение S/N на один бит равно 2. Параметр E b /N 0 характеризует отношение сигнал-шум, приходящееся на один бит. Параметр E b /N 0 связан с параметром S/N следующим соотношением: E b S Tb S / R S W = = N N W N W =, (38) 0 / / N R где T b время передачи бита, N мощность шума, R скорость передачи битов, W ширина полосы. Отношение R/W называется спектральной эффективностью системы или эффективностью использования полосы

35 частот и выражается в бит/с/гц. Это отношение показывает, насколько эффективно система использует полосу частот. Общая вероятность ошибки в двоичном когерентном приёмнике будет определяться следующим образом: P b = P(H 2 s1) P(s1) + P(H1 s2) P(s2). (39) При P(s 1) = P(s 2) получим: P b = P(H 2 s1) = P(H1 s2). (40) В соответствии с (40) и рис (z a 2) 1 2 σ (2 a1 a2 e dz = Q + + σ 2π 2σ (a1 a2)/ 2 (a1 a2) / 2 Pb = p z s2) dz = 35, (41) 2 1 u 1 x где Q(x) = exp du = erfc табличный интеграл, x π 2 2 erfc(x) = e u 2 du дополнительная функция ошибок. π x Можно показать , что дисперсия шума на выходе коррелятора с опорным сигналом в виде нормированной базисной функции будет равна 2 σ = N0 / 2, где N 0 уровень спектральной плотности мощности аддитивного белого гауссовского шума в канале. Также в показано, что для модуляции BPSK a 1 = a2 = Eb, для модуляции BFSK a 1 = a2 =, а для модуляции 2 BASK a 1 = E, a 2 = 0. Подставляя данные значения параметров в (41), получим выражения для вероятностей битовых ошибок в двоичном когерентном приёмнике для канала с АБГШ: 2E b P = b Q (42) N0 для модуляции BPSK, где E b энергия сигнала, приходящаяся на 1 бит передаваемой информации, E b P b = Q (43) N 0 для модуляции BFSK, E E b P = b = Q Q (44) 2N 0 N0 для модуляции BASK, где E энергия символа с ненулевой амплитудой, E Eb = средняя энергия, приходящаяся на 1 бит. 2 E b

36 На рис. 44 приведены графики зависимостей вероятности битовой ошибки от отношения сигнал/шум для различных видов бинарных модуляций и различных способах приёма (когерентный и некогерентный). Рис. 44. Зависимость вероятности битовых ошибок в канале с АБГШ от отношения сигнал/шум для различных видов модуляции На рис. 45 и 46 показаны аналогичные зависимости для модуляций MFSK и MPSK соответственно при различных значениях M = 2 k. Как видно из сравнения этих рисунков, при ортогональной передаче с ростом k происходит уменьшение вероятности битовой ошибки, а при многофазной увеличение. Можно показать , что соотношение между вероятностью битовой ошибки и вероятностью символьной ошибки для ортогональных M-арных сигналов (MFSK) даётся выражением: k P / b M = =. (45) k Ps 1 M 1 Аналогичное соотношение для многофазных сигналов MPSK при использовании кода Грея имеет вид: Ps Pb (для P s << 1). (46) log 2 M 36

37 Код Грея это код преобразования бинарных символов в M-арные, такие, что двоичные последовательности, соответствующие соседним символам (сдвигам фаз), отличаются только одним битом. На рис. 47 обычная бинарная кодировка сравнивается с кодировкой Грея. При появлении ошибки в M-арном символе наиболее вероятными являются ближайшие соседние символы, отличающиеся от переданного лишь одним битом, если используется кодировка Грея. Таким образом, высока вероятность того, что при кодировании с помощью кода Грея в случае возникновения ошибки ошибочным будет только один из k = log 2 M переданных битов. Рис. 45. Вероятность битовых ошибок для модуляции MFSK (когерентный приём) при различных значениях M = 2 k 37

38 Рис. 46. Вероятность битовых ошибок для модуляции MPSK (когерентный приём) при различных значениях M = 2 k Рис. 47. Последовательная кодировка (а) и кодировка Грея (б) В таблице 1 приводятся выражения для вероятности битовой ошибки (для бинарных модуляций и модуляции QPSK) и вероятности символьной ошибки (для M-арных модуляций). 38

39 Вид модуляции BASK BPSK QPSK Ортогональная BFSK (когерентное обнаружение) Ортогональная BFSK (некогерентное обнаружение) DPSK (некогерентное обнаружение) DPSK (когерентное обнаружение) Вероятность ошибки на бит (P b) или на символ (P s) P b = Q 1 E b N 0 здесь и далее Q(x) = 2π x гауссов интеграл ошибок P b P b P = 2Q P P b b P b = Q = Q = Q 2E N 0 2E N E 0 b N 0 b b 2 u exp 2 1 E exp b 2 2N = 0 1 E exp 2 = b b N 0 2E N 0 b 1 Q 2E N 0 b du Таблица 1. Примечание для ортогональных сигналов: s (t) = Acos t s 1 ω 2 (t) = 0 0 t T для антиподных сигналов: s (t) = Acosωt s 1 2 (t) = Acosωt 0 t T 39

40 2E MPSK () 2 s π P sin s M Q, M > 2 N0 M DMPSK (некогерентное обнаружение) Ортогональная MFSK (когерентное обнаружение) Ортогональная MFSK (некогерентное обнаружение) QAM P P () 2 s M Q 2E N 0 P (M) (M s 1 E exp M N s sin 1) Q π 2M E N, s 0 exp M > 2 M = s j M E s s (1) C j 0 j = 2 jn0 P b C M j 2(1 L log L 2 1 =) Q M! j!(M 2 j)! 3log L 2 L 1 2E N 0 b, для больших отношений E s /N 0, E s =E b log 2 M энергия, приходящаяся на символ, M=2 k количество равновероятных символов cм. примечание для MPSK E s =E b log 2 M энергия, приходящаяся на символ, M=2 k количество равновероятных символов cм. примечание для MFSK с когерентным обнаружением для прямоугольной решётки; L количество уровней амплитуды в одном измерении; используется код Грея 40

41 2. Системные компромиссы 2.1. Основные параметры и ресурсы системы связи Основными параметрами цифровой системы связи являются: вероятность битовой ошибки; скорость передачи битов; ширина полосы частот сигнала; мощность сигнала. Основные ресурсы системы связи: энергетический (излучаемая мощность); частотный (ширина полосы). При изменении одного из параметров системы в лучшую сторону какойлибо другой параметр (или параметры), как правило, меняются в худшую сторону (например, для снижения вероятности битовой ошибки необходимо увеличивать мощность сигнала). На практике один из ресурсов системы связи, как правило, дороже другого. Например, для сотового телефона энергетический ресурс всегда ограничен в силу того, что телефон питается от аккумулятора и излучаемая им мощность ограничена санитарными нормами Пропускная способность канала связи Пропускной способностью канала связи называется величина максимально достижимой скорости передачи информации в канале, при которой можно обеспечить теоретически бесконечно малую вероятность битовых ошибок. Пропускной способностью канала связи с аддитивным белым гауссовским шумом определяется теоремой Шеннона: при определённом кодировании сигнала информация может быть передана со сколь угодно малой вероятностью ошибки при скорости передачи R C, где S C = W log [бит/с]. (47) N В формуле (47) W ширина полосы канала, S мощность сигнала, N мощность шума. Выражение (47) при R = C можно переписать в следующем виде: Eb W C = (2 / W 1). (48) N0 C Из (48) следует, что при C/W 0 величина E b / N 0 1,6 дб (рис. 48). Это так называемый предел Шеннона: если отношение сигнал/шум E b / N 0 1,6 дб, то пропускная способность канала связи C = 0. В этом случае в соответствии с теоремой Шеннона не существует методов кодирования сигнала, которые 41

42 позволили бы обеспечить малую вероятность возникновения битовых ошибок в канале связи. Поэтому на практике отношение сигнал/шум E b / N 0 всегда должно превосходить предел Шеннона. Рис. 48. Предел Шеннона 2.3. Плоскость «полоса-эффективность» На рис. 49 показана так называемая плоскость «полоса-эффективность», на которой наглядно видны различные компромиссы при изменении параметров системы связи. Точки на данной плоскости (в виде кружков, треугольников и квадратов) соответствуют различным видам модуляции при следующих условиях: вероятность битовых ошибок P b = 10-5 ; для ограничения ширины спектра сигнала применяется идеальный фильтр Найквиста; система связи с одной несущей; не используются коды коррекции ошибок. Прямая 1 на этом рисунке соответствует изменению мощности сигнала, а прямые 2 и 3 изменению вида модуляции. Область, лежащая выше горизонтальной оси, является областью ограниченной полосы, т.к. виды модуляции сигнала, находящиеся в данной области, обеспечивают высокую спектральную эффективность системы связи и поэтому применяются чаще всего в условиях дефицита частотного ресурса. Однако, отношение сигнал/шум при этом должно быть достаточно высоким. Область, лежащая ниже горизонтальной оси, является областью ограниченной мощности, т.к. виды модуляции сигнала, находящиеся в данной 42

43 области, обладают малой спектральной эффективностью, но требуют меньших значений отношения сигнал/шум, а, значит, и меньших мощностей сигнала, и поэтому применяются чаще всего в условиях дефицита энергетического ресурса. Рис. 49. Плоскость «полоса-эффективность» 43

44 3. Широкополосные сигналы 3.1. Преимущества широкополосных сигналов Широкополосные сигналы математически можно классифицировать как узкополосные в смысле малости отношения ширины спектра к несущей частоте. Термин «широкополосный» означает, что спектр такого сигнала значительно шире, чем это необходимо для передачи информации с заданной скоростью. При этом база такого сигнала (произведение ширины спектра на длительность) больше единицы. Широкополосные сигналы часто называют сложными сигналами в отличие от простых, которые имеют базу, равную единице. Преимущества широкополосных сигналов заключаются в следующем: пониженная спектральная плотность энергии; скрытность; повышенная точность локации; повышенная устойчивость к помехам; устойчивость к многолучёвости; возможность организации множественного доступа без разнесения по частоте и времени Расширение спектра методом прямой последовательности На рис. 50 показана структура передатчика и приёмника при расширении спектра методом прямой последовательности. Рис 50. Структура передатчика и приёмника при расширении спектра методом прямой последовательности 44

45 Суть данного метода состоит в следующем: двухуровневый биполярный информационный сигнал x(t) умножается в передатчике на расширяющую двухуровневую биполярную последовательность g(t), ширина импульсов которой значительно меньше ширины информационных импульсов. При этом ширина спектра произведения x(t) g(t) становится больше относительно спектра x(t). Затем такой сигнал подаётся на обычный модулятор (на рис. 50 для модуляции BPSK). Сигнал на выходе передатчика можно записать так: s(t) = 2Px(t) g(t)cosω0t. В приёмнике принятый широкополосный сигнал ещё раз умножается на ту же расширяющую последовательность, что и в передатчике: z (t) = A 2Px(t τ) g(t τ) g(t ˆ)cos[ τ ω0 (t τ) + ϕ], где τ время распространения сигнала от передатчика до приёмника, τˆ оценка этого времени приёмником. Благодаря тому, что g(t) = ±1, после умножения на расширяющую последовательность в приёмнике широкополосный сигнал снова становится узкополосным, т.к. g (t τ) g(t ˆ) τ 1 при τ =τˆ. На рис. 51 приведён пример расширения спектра методом прямой последовательности. Рис. 51. Пример расширения спектра методом прямой последовательности: а) исходные двоичные данные, б) кодовая последовательность, в) переданная последовательность, г) фаза переданной несущей, д) фазовый сдвиг, выполненный кодом приёмника, е) фаза несущей после сужения спектра в приёмнике, ж) демодулированный информационный сигнал Степень расширения спектра характеризуется коэффициентом расширения: 45

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского» Радиофизический факультет

Разновидности сигналов ФМ-4 1. ФМ-4 (QPSK) Плотность мощности сигнала ФМ-4 (и ФМ-4С) описывается уравнением Рисунок 1. Спектр сигнала ФМ-4. Полоса частот (от нулевого уровня до нулевого уровня) сигнала

УДК 519.517 ОЦЕНКА ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ С ОРТОГОНАЛЬНЫМ ЧАСТОТНЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ Кобозева И.Г. Постановка задачи. В докладе рассматривается многоканальная система связи с ортогональным

Лекция 9 Оптимальные алгоритмы приема при полностью известных сигналах. Когерентный прием Для решения задачи об оптимальном алгоритме приема дискретных сообщений сделаем следующие допущения:. Все искажения

Предисловие 9 Список сокращений 10 Введение 11 Глава 1. Основные понятия теории связи 14 1.1. Информация, сообщение, сигнал 14 1.2. Связь, сеть связи, система связи 17 1.3. Кодирование и модуляция 23 1.4.

Часть 4. Технологии битовых потоков 1. Передача цифровых данных электромагнитными сигналами 1.1 Элементы теории Сигнал характеризуется информационным параметром (и.п.): амплитудой, частотой, фазой или

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ НЕПРЕРЫВНОГО СИГНАЛА В ДИСКРЕТНЫЙ СИГНАЛ Теоретический материал В 933 году в работе "О пропускной способности "эфира" и проволоки в электросвязи" В.А. Котельников доказал

Часть 5 МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФУНКЦИИ СПЕКТРАЛЬНОЙ ПЛОТНОСТИ Функции спектральной плотности можно определять тремя различными эквивалентными способами которые будут рассмотрены в последующих разделах: с помощью

УДК 621.372 Моделирование радиосистемы передачи информации с когерентным приемом сигнала в среде Matlab+Simulink Попова А.П., студент Россия, 105005, г. Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, кафедра «Радиоэлектронные

Методы аналоговой модуляции при передаче данных Когда мы хотим передать данные, используя аналоговые телефонные линии, мы должны конвертировать электрические сигналы, исходящие от DTE, в форму приемлемую

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики кафедра ТОРС Задание и методические указания к курсовой

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ АЛГОРИТМА ОБНАРУЖЕНИЯ УЗКОПОЛОСНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ РАДИОСИГНАЛОВ С НЕИЗВЕСТНЫМИ ПАРАМЕТРАМИ НА ФОНЕ ГАУССОВСКИХ ШУМОВ С НЕИЗВЕСТНОЙ СПЕКТРАЛЬНОЙ ПЛОТНОСТЬЮ А.Н. Николаев Введение

Лекция 11 Прием непрерывных сообщений. Критерии помехоустойчивости Сообщение в общем случае представляет собой некоторый непрерывный процесс bt, который можно рассматривать как реализацию общего случайного

Лабораторная работа 3 Стандарты сжатия изображений с потерей качества. Стандарт JPEG. Широко используемым на практике подклассом систем сжатия изображений с потерей качества являются системы, основанные

Алгоритмы синхронизации в OFDM системах Синхронизация приёмо-передающих устройств в OFDM - системе Рассмотрим обобщенную функциональную схему системы передатчик канал - приемник использующей OFDM представленную

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ А.Н.ДЕНИСЕНКО, В.Н.ИСАКОВ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ по выполнению лабораторных работ на ПК по дисциплине «ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ»

Аналого-цифровое преобразование. Дискретизация по времени и квантование по уровню Дискретизация по времени и квантование по уровню лежат в основе преобразования сигнала из аналоговой формы в цифровую.

Одесская национальная академия связи им. А.С. Попова Кафедра теории электрической связи им. А.Г. Зюко МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к самостоятельной раоте по дисциплине УСТРОЙСТВА ПРИЕМА и ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ

Методические материалы примеры билетов КР и вариантов РГР по курсу «Математические методы обработки цифровых сигналов» Рубежный контроль 1 1. Разложите вектор (,1, 1 по векторам 1) (1,2,1), (,2,3) 1,

ЛР 3 Определение пропускной способности дискретного канала. Тема: Выполнение расчетов по теореме отчетов. Определение пропускной способности дискретного канала. Цель: научиться выполнять расчеты по теореме

Цифровая обработка сигналов Контрольные вопросы к лабораторной работе 1 1. Частоту дискретизации сигнала увеличили в два раза. Как изменится амплитуда выбросов аналогового сигнала, восстановленного согласно

126 Радиоэлектроника, радиофизика ТРУДЫ МФТИ. 2010. Том 2, 3 УДК 681.3.07 Ю.П. Озерский Московский физико-технический институт (государственный университет) Цифровая модуляция сигнала при передаче двоичной

МОДЕЛЬ МОДЕМА СОТОВОЙ СИСТЕМЫ СВЯЗИ С.С. Твердохлебов, студент каф. РТС, научн. руководитель, доцент каф. РТС А.М. Голиков [email protected] Частотная манипуляция (FSK). Значениям и информационной последовательности

Министерство образования и науки Российской Федерации ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

СПОСОБЫ КОДИРОВАНИЯ Требования к кодированию Минимизировать ширину спектра сигнала Обеспечить синхронизацию между передатчиком и приёмником Обеспечить устойчивость к шумам Обнаружить и устранить битовые

Материалы Международной научно-технической школы-конференции, 3 ноября 8 г. МОСКВА МОЛОДЫЕ УЧЕНЫЕ 8, часть 4 МИРЭА РЕГУЛЯРИЗИРУЮЩИЙ АЛГОРИТМ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕСОВОЙ ФУНКЦИИ ОПТИМАЛЬНОГО ПРИЕМНИКА ДВОИЧНЫХ

1. Введение Восстановление несущей частоты для сигналов с ФМ-4 Большинство систем связи, работающих в импульсном режиме, используют для устранения неоднозначности несущей частоты и синхронизации преамбулу

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. М. В. ЛОМОНОСОВА ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ КАФЕДРА РАДИОФИЗИКИ СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ

Лекция 4. Сигнал при импульсной модуляции При импульсной модуляции модулирующий сигнал представляет собой последовательность импульсов прямоугольной формы длительностью τ и периодом повторения Т =/F, где

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АНАЛОГОВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВАХ (АЭУ). ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ АЭУ 1. 1. Общие сведения об аналоговых электронных устройствах (АЭУ), принципы их построения Аналоговые сигналы

Робоча навчальна програма з дисципліни Супутникові системи зв язку Введение 1.1. Объект изучения Аналоговые и цифровые Земные станции спутниковой связи и орбитальные бортовые ретрансляторы. 1.2. Предмет

Содержание Содержание.... Теоретические основы ЦОС..... Виды сигналов...... Аналоговые сигналы...... Дискретные сигналы.....3. Цифровые сигналы...3.. Аналоговые сигналы...3... Представление сигнала интегралом

Индивидуальные домашние задания Задание. Найти коэффициент эффективности (в дб) блока пространственной обработки сигналов от 4-элементной (m= 4) квадратной антенной решётки со стороной квадрата, равной

ХАРАКТЕРИСТИКИ АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ В любой современной автоматизированной системе, в том числе ИИС, имеются объекты, выдающие и принимающие информацию в аналоговой форме. Следовательно, существует

7 Обнаружение сигналов 71 Постановка задачи обнаружения сигналов Среда где распространяется сигнал РПдУ + РПУ Рис71 К постановке задачи обнаружения сигналов Радиопередающее устройство (РПдУ) на интервале

Беспроводные сенсорные сети Тема 4: Основы радиопередачи МАИ каф. 609, Терентьев М.Н., [email protected] Вэтой теме Радиоволны Распространение радиоволн различных частот Аналоговые и цифровые сигналы Диапазоны

Звук и видео как сигналы Цифровой звук и видео Лекция 1 2 Определение сигнала «процесс изменения во времени физического состояния какого-то объекта, в результате которого осуществляется передача энергии

Министерство образования и науки Российской Федерации Сибирский федеральный университет СИСТЕМЫ СВЯЗИ ПОДВИЖНЫЕ СИСТЕМЫ СВЯЗИ Лекции Учебно-методическое пособие Электронное издание Красноярск СФУ 2013

Серия РАДИОФИЗИКА. Вып. 105 УДК 61.37 АДАПТИВНЫЙ ЦИФРОВОЙ АЛГОРИТМ АНАЛИЗА ФАЗЫ ДЛЯ ПРИЕМА И ДЕКОДИРОВАНИЯ СИГНАЛОВ С ФАЗОВОЙ И ЧАСТОТНОЙ МАНИПУЛЯЦИЕЙ М.М. Сорохтин, О.А. Морозов, А.А. Логинов Рассматривается

Тема: Каналы связи. Лекция 5 1. Характеристики каналов передачи данных 1.1. Обобщенные характеристики сигналов и каналов Сигнал может быть охарактеризован различными параметрами. Таких параметров, вообще

Тема 5. Сообщения. Сигналы. 1. Сообщение. Теория информации это наука о получении, преобразовании, накоплении, отображении и передаче информации. С технической точки зрения, информация - это сведения,

ОГЛАВЛЕНИЕ РЯДЫ ФУРЬЕ 4 Понятие о периодической функции 4 Тригонометрический полином 6 3 Ортогональные системы функций 4 Тригонометрический ряд Фурье 3 5 Ряд Фурье для четных и нечетных функций 6 6 Разложение

УДК 61.391 ПРИМЕНЕНИЕ ДИСКРИМИНАНТНОЙ ПРОЦЕДУРЫ ПРИ СИНТЕЗЕ И АНАЛИЗЕ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ, ОСНОВАННОЙ НА МАНИПУЛЯЦИИ СТАТИСТИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ СЛУЧАЙНОГО ПРОЦЕССА В. И. Парфенов, Е. В.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 7 МНОГОКАНАЛЬНЫЕ СПИ С ВРЕМЕННЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ КАНАЛОВ 1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ Изучение принципов построения и характеристик многоканальных систем передачи информации с временным разделением каналов.

1 Каргашин Виктор Леонидович, кандидат технических наук Проблемы обнаружения и идентификации радиосигналов средств негласного контроля информации (Продолжение, начало в 3, 2000) Эффективность приемников

0 УДК 68. : 59.6 С.Б. ПРИХОДЬКО Национальный университет кораблестроения имени адмирала Макарова, Украина УСТОЙЧИВОСТЬ ОТ ВОЗДЕЙСТВИЯ ШИРОКОПОЛОСНЫХ ПОМЕХ СИСТЕМЫ СВЯЗИ, ОСНОВАННОЙ НА ПЕРЕДАЧЕ СЛУЧАЙНЫХ

ISSN 279-89 Электронное научное издание «Ученые заметки ТОГУ» 213, Том, С 87 88 Свидетельство Эл ФС 77-39676 от 2 http://ejournalkhsturu/ ejournal@khsturu УДК 681327 213 г Г К Конопелько, Чье Ен Ун (Тихоокеанский

Министерство образования и науки Российской Федерации Сибирский федеральный университет СИСТЕМЫ СВЯЗИ ПОДВИЖНЫЕ СИСТЕМЫ СВЯЗИ Учебно-методическое пособие Электронное издание Красноярск СФУ 2012 УДК 621.396.93(07)

Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение высшего профессионального образования Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики кафедра ТОРС Задание и методические

Министерство образования и науки Российской федерации Казанский Национальный Исследовательский Технический Университет Кафедра радиоэлектроники и информационно-измерительной техники Теория радиотехнических

Навчальна програма з дисципліни Математичнi основи теорii зв язку 1. Введение 1.1. Объект изучения. Объект изучения системы цифровой связи, принципы построения систем связи, теория обработки, передачи

Анализ методов адаптивной фильтрации для формирования диаграмм направленности антенных решеток Чистяков В.А., студент гр.121-1, Куприц В.Ю., доцент каф. РТС Введение Процесс обнаружения объектов, определение

Техники кодирования сигналов Содержание Введение Предварительные условия Требования Используемые компоненты Условные обозначения Импульсно-кодовая модуляция Фильтрация Выборка Оцифруйте голос Квантование

Государственная служба специальной связи и защиты информации Украины Администрация государственной службы специальной связи и защиты информации Украины ОДЕССКАЯ НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ СВЯЗИ им. А.С. ПОПОВА

Министерство образования и науки Российской Федерации А.Е. Манохин МНОГОКАНАЛЬНЫЕ РАДИОСИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ С КОМБИНИРОВАННЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ КАНАЛОВ Электронное текстовое издание Методические указания

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики кафедра ТОРС Задание и методические указания к

АНАЛИЗ АКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ НА ОСНОВЕ МЕТОДА ФИЛЬТРАЦИИ КАЛМАНА И.П. Гуров, П.Г. Жиганов, А.М. Озерский Рассматриваются особенности динамической обработки стохастических сигналов с использованием дискретных

Биты данных могут передаваться в виде аналоговых или цифровых сигналов. Для передачи информации обычно используется одна из характеристик сигнала: амплитуда, частота, фаза. При использовании аналоговых сигналов, характеристика (например, амплитуда) может принимать любое значение из некоторого непрерывного интервала. При использовании цифровых сигналов, характеристика может принимать значения только из некоторого конечного набора (в простейшем случае, одно из двух значений).

На этом уровне вместо битовой скорости (бит/с) используют понятие скорости изменения сигнала в линии или бодовой скорости (бод, baud). Эта скорость представляет собой число изменений различаемых состояний линии за единицу времени. В случае двухуровневого кодирования битовая и бодовая скорости совпадают, но с увеличением количества различимых уровней, битовая скорость растет, а бодовая остается постоянной.

Передача данных может происходить по кабелю (в этом случае говорят об ограниченной среде передачи и проводных линиях связи) и с помощью электромагнитных волн той или иной природы – инфракрасных, микроволн, радиоволн, – распространяющихся в пространстве (неограниченная среда передачи, беспроводные линии связи).

Конец работы -

Эта тема принадлежит разделу:

Общие принципы построения сетей

Общие принципы построения сетей функциональные возможности сетей структурная организация компьютерной сети..

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Все темы данного раздела:

Функциональные возможности сетей
Польза от использования сетей может относиться к разным категориям. Во-первых, прямое общение людей (коммуникация). При этом сеть используется как среда, передающая от одно

Сети разного масштаба
Организация сети и ее структура непосредственно зависят от используемых компьютеров и расстояний между ними. Наиболее очевидны различия в организации сетей разных масштабов. Принято различать сети:

Среды передачи данных
Передача данных может происходить по кабелю (в этом случае говорят об ограниченной или кабельной среде передачи) и с помощью электромагнитных волн той или иной природы – инфракрасны

Режимы передачи данных
Сети делятся на два класса, различающиеся способом использования канала передачи данных: сети с селекцией данных и маршрутизацией данных. В сетях с селекцией данных

Способы коммутации
Коммутация является необходимым элементом связи узлов между собой, позволяющим сократить количество необходимых линий связи и повысить загрузку каналов связи. Практически невозможно

Архитектура СПО
Наиболее существенным отличительным признаком сетевого программного обеспечения (СПО) является его принципиально распределенный характер: различные компоненты должны выполняться на

Основные модели взаимосвязи открытых систем
Международная организация по стандартизации (МОС, International Standardization Organization, ISO) предложила в 1978 г. эталонную модель взаимодействия открытых систем

Эталонная модель ВОС
При разработке модели ВОС выделение уровней базировалось на следующих принципах: - каждый уровень должен выполнять отдельную функцию, - поток информации между уров

Аналоговая модуляция
Поскольку сети связывают цифровые компьютеры, по каналу связи необходимо передавать дискретные данные. Соответственно, при использовании аналоговых сигналов необходимо некоторое пре

Протоколы, поддерживаемые модемами
Все модемные протоколы можно разделить на международные и фирменные. Часто фирменный протокол, разработанный той или иной компанией, реализуют и другие производители модемов, он ста

Режимы передачи
Режим передачи определяет способ коммуникации между двумя узлами. При симплексном (simplex) режиме приемник и передатчик связывается линией связи, по которой информ

Асинхронная, синхронная, изохронная и плезиохронная передача
Для последовательной передачи данных достаточно одной линии, по которой могут последовательно передаваться биты данных. Приемник должен уметь распознавать, где начинается и где зака

Витая пара
В настоящее время среди сетевых кабелей наиболее распространена витая пара, представляющая собой пару переплетенных проводов. При этом вряд ли вы получите работающую витую пару, взя

Коаксиальный кабель
Коаксиальный кабель состоит из двух концентрических проводников, разделенных слоем диэлектрика. Внешний проводник при этом экранирует внутренний. Такой кабель меньше, чем витая пара

Волоконно-оптический кабель
Помимо металлических проводников, при построении сетей используются также и стеклянные (точнее, кварцевые) – волоконно-оптические кабели, передающие данные посредством световых волн. Сердечник тако

Инфракрасные волны
Инфракрасные каналы работают в диапазоне высоких частот вплоть до 1000 ГГц, где сигналы мало подвержены влиянию электромагнитных помех, следовательно, передача данных может осуществляться на высоко

Радиоволны, широкополосные сигналы
Организация радиоканала, как правило, осуществляется в диапазонах частот около 900 МГц, 2.4 ГГц и 5.7 ГГц. Для работы в этих диапазонах в США не требуется никакого лицензирования (в

Спутниковая связь
В зависимости от высоты орбиты, спутники делятся на геостационарные и низкоорбитальные. Cпутники, находящиеся на высоте около 36 тыс. км над экватором, согласно третьему за

Сотовая связь
Сотовая связь основана на применении кабельных и беспроводных каналов на тех участках, где они могут проявить свои сильные стороны. Базовая структура сети создается на основе высоко

Количество информация и энтропия
Источник информации, который может в каждый момент времени находиться в одном из возможных состояний, называется дискретным источником информации. Будем называть конечное множество

Свойства энтропии
1. Энтропия является неотрицательной вещественной величиной. Это так, поскольку вероятность лежит в интервале от 0 до 1, ее логарифм отрицателен, а значение –pilog p

Качество обслуживания
Качество обслуживания (Quality of Service, QoS) сетью потребителя ее услуг определяется, в основном, производительностью и надежностью. Производительность характеризуется следующими

Кодирование информации
При передаче цифровой информации с помощью цифровых сигналов применяется цифровое кодирование, управляющее последовательностью прямоугольных импульсов в соответствии с последователь

Логическое кодирование
Некоторые разновидности цифрового кодирования очень чувствительны к характеру передаваемых данных. Например, при передаче длинных последовательностей логических нулей посредством по

Самовосстанавливающиеся коды
Одним из средств борьбы с помехами являются самовосстанавливающиеся(корректирующие) коды, позволяющие не только обнаружить, но и исправить ошибки при приеме.

Систематические коды
Другой подход к построению кодов – разделение разрядов кода на информационные и контрольные. Такие коды называются систематическими. Пусть всего в коде n разрядов, из них k – информ

Алгоритмы сжатия данных
В общем смысле под сжатием данных понимают такое их преобразование, что его результат занимает меньший объем памяти. При этом (по сравнению с исходным представлением) экономится пам

Алгоритм RLE
Самый простой из словарных методов – RLE (Run Length Encoding, кодирование переменной длины) умеет сжимать данные, в которых есть последовательности повторяющихся байтов. Упакованны

Алгоритм Лемпела-Зива
Наиболее широко используются словарные алгоритмы из семейства LZ, чья идея была описана Лемпелом и Зивом в 1977 году. Существует множество модификаций этого алгоритма, отличающихся

Кодирование Шеннона-Фано
Методы эффективного кодирования сообщений для передачи по дискретному каналу без помех, предложенные Шенноном и Фано, заложили основу статистических методов сжатия данных. Код Шенно

Алгоритм Хаффмана
Алгоритм Хаффмана гарантирует однозначное построение кода с наименьшим для данного распределения вероятностей средним числом символов кода на символ сообщения. На первом шаге подсчи

Основные характеристики локальных сетей
Локальные сети расположены на небольшой площади – комната, здание, несколько соседних зданий. Максимальное расстояние между компьютерами – несколько сотен метров. Количество компьют

Маркерные методы доступа
Метод передачи маркера относится к селективным детерминированным одноранговым методам доступа. Сети с шинной топологией, использующие передачу маркера, называются сетями типа “марке

Стандарты группы IEEE 802
Комитет 802 института IEEE был создан в 1980 году с целью выработки стандартов для локальных сетей. Результаты работы этого комитета (группа стандартов IEEE 802.x) легли в основу ме

Протокол управления логическим каналом IEEE 802.2
Стандарт 802.2 описывает работу подуровня LLC – логические процедуры передачи кадров и связь с сетевым уровнем. Стандарт определяет три типа обслуживания: - LLC1 – без уста

Технология Ethernet
Технология Ethernet была разработана в исследовательском центре компании Xerox в середине 1970-х годов. В 1980 году фирмы DEC, Intel и Xerox выпустили вторую фирменную версию станда

Форматы кадров Ethernet
В сетях Ethernet могут применяться кадры четырех форматов: - Ethernet II (Ethernet DIX) - Ethernet 802.2 - Ethernet 802.3 - Ethernet SNAP.

Технология Token Ring
Технология Token Ring (маркерное кольцо) была разработана фирмой IBM в конце 1970-х годов. Спецификации IEEE 802.5 практически повторяют фирменные спецификации, отличаясь лишь в нек

Маркерный метод доступа
Token Ring – это наиболее распространенная технология локальной сети с передачей маркера. В таких сетях циркулирует (передается станциями друг другу в определенном порядке) специаль

Система приоритетного доступа
Сети Token Ring гарантируют, что каждая станция будет получать право на передачу данных не реже, чем раз в установленный интервал времени. Кроме того, используется система приоритет

Оборудование Token Ring
Концентратор Token Ring (MSAU) представляет собой набор блоков TCU (Trunk Coupling Unit – блок подключения к магистрали), к которым отдельными радиальными кабелями (lobe cabling) по

Технология FDDI
Спецификация FDDI (Fiber Distributed Data Interface, оптоволоконный интерфейс распределения данных) разработана и стандартизована институтом ANSI (в 1986-1988 гг. – группа X3T9.5, п

Высокоскоростные технологии локальных сетей
10.1. Технология Fast Ethernet 100Мбит/с В 1995 году комитет IEEE 802.3 принял стандарт IEEE 802.3u (дополнительные главы к стандарту IEEE

Технология 100VG-AnyLAN
Комитет IEEE 802.12 в 1995 году принял технологии 100VG-AnyLAN, использующую новый метод доступа Demand Priority (приоритет запросов) и поддерживает кадры двух форматов – Ethernet и

Сетевые адаптеры
Сетевой адаптер (с драйвером) реализуют физический уровень и подуровень MAC канального уровня. Основная функция сетевого адаптера – передача и прием кадров между компьютером и средо

Концентраторы
Основная функция концентратора – повторение каждого полученного сигнала на всех (для Ethernet) или на некоторых портах. Соответственно, наиболее общее название для такого рода устро

Коммутаторы
Коммутатор (switch) функционально представляет собой высокоскоростной многопортовый мост, способный одновременно связывать несколько узлов на максимальной скорости, обеспечиваемой с

Алгоритм покрывающего дерева
Алгоритм покрывающего дерева (Spanning Tree Algorithm, STA) описан в стандарте IEEE 802.1D и позволяет ликвидировать петли в сети (если в сети есть кольцевые маршруты, это может при

Составные сети
Сеть рассматривается как совокупность нескольких сетей и называется составной сетью или интерсетью (internetwork, internet), а ее части – п

Принципы маршрутизации
Маршрутизатор, как и, например, мост, имеет несколько портов и должен для каждого поступающего пакета решить – отфильтровать его или передать на какой-то другой порт. Как и

Протокол IP
Протокол IP (Internet Protocol, Протокол межсетевого взаимодействия) описан в RFC 791. Основная функция протокола IP – передача пакетов между узлами, принадлежащими к разным подсетя

Фрагментация IP-пакетов
На пути пакета от отправителя к получателю могут встречаться локальные и глобальные сети разных типов с разными допустимыми размерами полей данных кадров канального уровня (Maximum

Протокол ARP
Протокол ARP (Address Resolution Protocol, Протокол Разрешения Адресов) описан в RFC 826. При передаче пакетов внутри локальных сетей протоколы канального уровня пользуются

Протокол ICMP
Протокол ICMP (Internet Control Message Protocol, Протокол Управляющих Сообщений Интернет) описан в RFC 792. Он используется для сообщений об ошибках или нештатных ситуация

Протокол UDP
Протокол UDP (User Datagram Protocol, Протокол пользовательских дейтаграмм) описан в RFC 768. Он предоставляет прикладным процессам простейшие услуги транспортного уровня. Две основ

Протокол TCP
Протокол TCP (Transmission Control Protocol, Протокол управления передачей) описан в RFC 793. Он обеспечивает надежную передачу потока данных, используя сервис передачи дейтаграмм п

Служба DNS
Служба именования доменов (DNS, Domain Name System) описана в RFC и предназначена для установления глобального соответствия между символическими имена узлов и их IP-адресами. На ран

Протокол сетевого управления SNMP
Учитывая важность функции управления, для этих целей создано два протокола SNMP(simple network management protocol, RFC 1157, 1215, 1187, 1089 разработан в 1988 году) и CMOT (common

Технология X.25
Глобальные сети X.25 основаны на коммутации пакетов, и долгое время являлись единственными сетями с коммутацией пакетов, гарантирующими готовность. Структурно сеть X.25 состоит из

Технология Frame Relay
Сети с ретрансляцией кадров(Frame Relay) представляют собой сети с коммутацией пакетов, ориентированные на цифровые линии связи со скоростью до 2 Мбит/с. Frame Rela

Структура кадра Frame Relay
… … N-3 N-2 N-1 N

Плезиохронная цифровая иерархия
Плезиохронная цифровая иерархия (Plesiochronous Digital Hierarchy, PDH) разработана корпорацией AT&T (Bell Labs) в 1960-х годах для передачи множества потоков оцифрованной голос

Синхронная цифровая иерархия
Синхронная цифровая иерархия (Synchronous Digital Hierarchy) разработана компанией Bellcore в 1980-х годах (под названием “Синхронные оптические сети” – Synchronous Optical NETs, SO

Интерфейсы ISDN
Абонент получает услуги ISDN на терминальном оборудовании (TE, Terminal Equipment): компьютере, телефонном аппарате, факсимильном аппарате, мини-АТС, маршрутизаторе

Основные принципы технологии ATM
Технология Асинхронного режима доставки(АРД, ATM, Asynchronous Transfer Mode) разрабатывалась как единый универсальный транспорт для передачи разнородного трафика п

Стек протоколов ATM
Стек протоколов соответствует нижним уровням модели ВОС и включает три уровня: - Физический уровень (Physical layer) определяет способы передачи в зависимости от среды. Физ

Уровень адаптации AAL
Уровень адаптации содержит подуровень сборки и сегментации (SAR, Segmentation And Reassembly) и подуровень конвергенции (CS, Convergence Sublayer).

Технологии распределенных вычислений
Программы, работающие в сети и совместно решающие ту или иную задачу, часто бывает удобно считать частями одного приложения. Такое приложение называют распределенным. Распределенным

Удаленный вызов процедур
Удаленный вызов процедур (remote procedure call, RPC) – это технология взаимодействия прикладных программ, выполняющихся на разных узлах, разработанная корпорацией Sun Microsystems

Аналоговые каналы связи

Аналоговые каналы связи являются наиболее распространенными по причине длительной истории их развития и простоты реализации. Типичным примером аналогового канала является канал тональной частоты (телефония).

Необходимость в модуляции аналоговой информации возникает, когда нужно передавать низкочастотный аналоговый сигнал через канал, находящийся в высокочастотной области спектра.

Примерами такой ситуации является передача голоса по радио и телевидению. Голос имеет спектр шириной примерно в 10кГц, а радиодиапазоны включают гораздо более высокие частоты, от 30кГц до 300МГц. Еще более высокие частоты используются в телевидении. Очевидно, что непосредственно голос через такую среду передать нельзя.

Модуляцией называется преобразование сигнала, заключающееся в изменении какого-либо его информационного параметра в соответствии с передаваемым сообщением.

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

Аналоговая модуляция является таким способом физического кодирования, при котором информация кодируется изменением амплитуды, частоты или фазы синусоидального сигнала несущей частоты.

Амплитудная модуляция (AM) - модуляция при которой амплитуда несущего колебания управляется информационным (модулирующим) сигналом.

Частотная модуляция (FM) - модуляция при которой частота несущего колебания управляется информационным (модулирующим) сигналом.

Фазовая модуляция (PM) - модуляция при которой фаза несущего колебания управляется информационным (модулирующим) сигналом.

Цифровые каналы связи

К цифровым каналам связи относятся каналы ISDN, T1/E1.

При передаче дискретных данных по каналам связи применяются два основных типа физического кодирования - на основе синусоидального несущего сигнала и на основе последовательности прямоугольных импульсов. Первый способ часто называется аналоговой модуляцией или манипуляцией, подчеркивая тот факт, что кодирование осуществляется за счет изменения параметров аналогового сигнала. Второй способ обычно называют цифровым кодированием. Эти способы отличаются шириной спектра результирующего сигнала и сложностью аппаратуры, необходимой для их реализации.

Аналоговая модуляция дискретных данных

Необходимость применения аналоговой модуляции к передаче дискретных данных возникает, при необходимости передачи компьютерных данных по телефонным каналам.

Устройство, которое выполняет функции модуляции несущей синусоиды на передающей стороне и демодуляции на приемной стороне, носит название модем (модулятор - демодулятор).

Основные способы аналоговой модуляции дискретных данных:

При амплитудной модуляции AM для логической единицы выбирается один уровень амплитуды синусоиды несущей частоты, а для логического нуля - другой. Этот способ редко используется в чистом виде на практике из-за низкой помехоустойчивости, но часто применяется в сочетании с другим видом модуляции - фазовой модуляцией.

При частотной модуляции FM значения 0 и 1 исходных данных передаются синусоидами с различной частотой. Этот способ модуляции не требует сложных схем в модемах и обычно применяется в низкоскоростных модемах, работающих на скоростях 300 или 1200 бит/с.
При фазовой модуляции PM значениям данных 0 и 1 соответствуют сигналы одинаковой частоты, но с различной фазой, например 0 и 180 градусов или 0,90,180 и 270 градусов.

В скоростных модемах часто используются комбинированные методы модуляции, как правило, амплитудная, в сочетании с фазовой.

Цифровое кодирование каналов связи

При цифровом кодировании дискретной информации применяют потенциальные и импульсные коды.

В потенциальных кодах для представления логических единиц и нулей используется только значение потенциала сигнала, а его перепады, формирующие законченные импульсы, во внимание не принимаются. Импульсные коды позволяют представить двоичные данные либо импульсами определенной полярности, либо частью импульса - перепадом потенциала определенного направления.

Требования к методам цифрового кодирования:

• имел при одной и той же битовой скорости наименьшую ширину спектра результирующего сигнала;
• обеспечивал синхронизацию между передатчиком и приемником;
• обладал способностью распознавать ошибки;
• обладал низкой стоимостью реализации.

Более узкий спектр цифровых сигналов позволяет на одной и той же линии (с одной и той же полосой пропускания) добиваться более высокой скорости передачи данных. Кроме того, часто к спектру сигнала предъявляется требование отсутствия постоянной составляющей, то есть наличия постоянного тока между передатчиком и приемником. В частности, применение различных трансформаторных схем гальванической развязки препятствует прохождению постоянного тока.

Синхронизация передатчика и приемника нужна для того, чтобы приемник точно знал, в какой момент времени необходимо считывать новую информацию с линии связи. Эта проблема в сетях решается сложнее, чем при обмене данными между близко расположенными устройствами. На небольших расстояниях хорошо работает схема, основанная на отдельной тактирующей линии связи.

В сетях использование этой схемы вызывает трудности из-за:

• Неоднородности характеристик проводников в кабелях. На больших расстояниях неравномерность скорости распространения сигнала может привести к тому, что тактовый импульс придет настолько позже или раньше соответствующего сигнала данных, что бит данных будет пропущен или считан повторно.
• Экономия проводников в дорогостоящих кабелях.

Поэтому в сетях применяются так называемые самосинхронизирующиеся коды. Любой резкий перепад сигнала - так называемый фронт - может служить хорошим указанием для синхронизации приемника с передатчиком.