Галкин В.А., Григорьев Ю.А. - Телекоммуникации и сети, страница 11

Повышение мощности передатчика ведет кзначительному увеличению его габаритов и стоимости. Снижение уровня шуматребует применения специальных кабелей с хорошими защитными экранами,что весьма дорого, а также снижения шума в передатчике и промежуточнойаппаратуре, чего достичь весьма не просто. К тому же влияние мощностейполезного сигнала и шума на пропускную способность ограничено логарифми­ческой зависимостью, которая растет далеко не так быстро, как прямо-про­порциональная. Так, при достаточно типичном исходном отношеьши мощностисигнала к мощности шума в 100 раз, повышение мощности передатчика в 2раза даст только 15 % увеличения пропускной способности линии.Найквист вывел формулу, определяющую зависимость максимальной ско­рости передачи информации (данных) С [бит/с] от ширины полосы пропусканияВ без учета шума в канале:C = 2Blog^M,(2.24)где М- число различимых состояний информативного параметра сигнала.Если сигнал имеет 2 состояния, то пропускная способность равна удвоенно­му значению ширины полосы пропускания линии связи.Если же передатчик использует более чем 2 устойчивых состояния сигналадля кодирования данных, то пропускная способность линии повышается, таккак за один такт работы передатчик передает несколько бит исходных данных.Пример.

Модем в телефонной сети общего пользования применяет метод квадратурнойамплитудной модуляции с 8-ю уровнями ( 4 значения фазы х 2 значения амплитуды для каждойфазы) на каждый сигнальный элемент. Если полоса пропускания телефонной сети равна 3100 Гц,то согласно формуле Найквиста максимальная скорость передачи данных будет равна:С =2В \og^M== 2 • 3100 • log^S = 18600 биг/с.Хотя формула Найквиста явно не учитывает наличие шума, косвенно еговлияние отражается в выборе числа состояний информативного параметра сиг­нала.

Для повышения пропускной способности канала хотелось бы увеличитьэто число до значительной величины, но на практике этого сделать нельзя из-зашума на линии. Поэтому число возможных состояний сигнала фактически ог­раничивается соотношением мощности сигнала и шума, а формула Найквистаопределяет предельную скорость передачи данных в том случае, когда количе­ство состояний уже выбрано с учетом возможностей устойчивого распознава­ния приемником.Передача данных на физическом уровнеПод данными понимают информацию, закодированную в цифровой форме.При передаче данных по каналам связи применяют два основных типа физи542.1. Понятие системы передачи данныхческого кодирования - на основе синусоидального несущего сигнала и на осно­ве последовательности прямоугольных импульсов.

Первый способ часто на­зывают также модуляцией или аналоговой модуляцией, подчеркивая тот факт,что кодирование осуществляется за счет изменения параметров аналоговогосигнала. Второй способ обычно назьгоают цифровым кодированием. Эти спо­собы отличаются шириной спектра результирующего сигнала и сложностьюаппаратуры, необходимой для их реализации.При использовании прямоугольных импульсов спектр результирующего сиг­нала получается весьма широким. Это не удивительно, если вспомнить, чтоспектр идеального импульса имеет бесконечную ширину. Применение синусо­иды приводит к спектру гораздо меньшей ширины при той же скорости переда­чи информации.

Однако для реализации синусоидальной модуляции необходи­ма более сложная и дорогая аппаратура, чем для реализации прямоугольныхимпульсов.В настоящее время все чаще данные, изначально имеющие аналоговуюформу - речь, телевизионное изображение, - передают по каналам связи в дис­кретном виде, т. е. в виде последовательности единиц и нулей. Процесс пред­ставления аналоговой информации в дискретной форме называется дискрет­ной модуляцией.При передаче данных по непрерьгоному (аналоговому) каналу связи ис­пользуют определенный физический процесс, называемый сигналом-пере­носчиком. Математической моделью его может служить функция времени s(t,v4, 5,...) , зависящая также от параметров А, В, ...

Некоторые параметры сиг­налов фиксированы при данньпс условиях передачи, и тогда они вьшолняют рольидентифшщрующих параметров. Другие подвергаются воздействию со сторо­ны передатчика, и в этом случае выполняют роль информативных параметров.Модуляция - отображение на передающей стороне множества возможныхзначений входного сигнала на множество возможных значений информативно­го параметра сигнала-переносчика. На приемной стороне возникает обратнаязадача - восстановить исходный сигнал, т. е. осуществить демодуляцию.Как правило, аналоговую модуляцию применяют для передачи дискретныхданных по каналам с узкой полосой частот, типичным представителем кото­рых является канал тональной частоты (ТЧ), предоставляемый в распоряже­ние пользователям общественных телефонньпс сетей.

Этот канал передаетчастоты в диапазоне от 300 до 3400 Гц, таким образом, его полоса пропусканияравна 3100 Гц. Строгое ограничение полосы пропускания канала ТЧ связано сиспользованием аппаратуры уплотнения и коммутации каналов в телефонныхсетях. Устройство, осуществляющее модуляцию несущей синусоиды на пере­дающей стороне и демодуляцию на приемной стороне, носит название модем(модулятор-демодулятор).Амплитуцная модуляция.

В системах с амплитудной модуляцией (AM)модулирующая функция X(t) изменяет амплитуду высокочастотной гармони­ческой функции 5(/) сигнала-переносчика:552. Основы телекоммуникацииЛs{i)= Аш1{Ш 4- ф ) .(2.25)Амплигуцно-модулированный сигнал име­ет вид:s{t) =А[\ + /wX(0]sin(Qr + Ф),О(П-со.) П (QfcoO(2.26)->со где т-коэффшщенг модуляции.Пусть модулирующая фушщия X(t) =Рис. 2.7. Спектр амплшудно= sin coi/, тогда, подставив ее в выражение длямодулированного сигналаs(t) и осуществив преобразования, получим:5 ( 0 = ^ { 8 т ( О / + Ф)+ —со8[(0-со,)^ + Ф]-—cos[(Q +со^)/ + Ф]}.

(2.27)Амплитудно-модулированный сигнал имеет дискретный (линейчатый)спектр, состоящий из трех линий (рис. 2.7): несущей частоты -Q и двух боко­вых частот (Q - cOj) и (Q + cOj) - одна ниже, другая выше несущей частоты. Ихназывают верхней и нижней боковыми частотами. Нижняя боковая - это зер­кальное отображение верхней боковой по отношению к частоте несущей Q.

Изформулы (2.27) видно, что вся информащм о модулирующей функции полнос­тью содержится в любой из боковых частот.Система с AM, которая передает обе боковых и несущую частоту, извест­на, как двухполосная система (DSB - double sidebaud). Несущая не несет ника­кой полезной информации и может быть удалена, но с несущей или без, полосасигнала DSB вдвое больше полосы изначального сигнала. Для сужения рабо­чей полосы частот канала связи возможно вытеснение не только несущей, но иодной из боковых, так как они несут одну информацию. Этот вид AM известен,как однополосная модуляция с подавленной несущей SSB-SC (Single SidebandSuppressed Carrier).

Этот вид модуляции создает новый сигнал, идентичныйоригиналу, но сдвинутый вверх по частоте. Частоту несущей выбирают в соот­ветствии с условиями среды передачи. Демодуляция сигнала AM достигаетсяп>тем смешивания модулированного сигнала с несущей той же самой часто­ты, что и на модуляторе. Изначальный сигнал затем получают как отдельнуючастоту (или полосу частот) и его можно отфильтровать от других сигналов.При использовании SSB-SC несущая для демодуляции генерируется на месте,и она может не совпадать с частотой несущей на модуляторе. Небольшая раз­ница между двумя несущими частотами является причиной несовпадения вос­станавливаемых частот, что присуще телефонным цепям.Амплитудная модуляция с использованием цифровых сигналов. Осо­бым случаем амплитудной модуляции является случай, когда нижний из двухуровней амплитуд доведен до нуля; тогда процесс модуляции состоит во вклю­чении и выключении несущей.

Однако скачки в передаваемой энергии делаютэтот вид модуляции, не подходящим для передачи данных по сетям связи. Пря­моугольная волна содержит высокочастотные компоненты, и на практике в562,1. Понятие системы передачи данныхсистемах АМ-сигнал данных пропускают через фильтр 1шжних частот до мо­дулятора. Это скругляет прямоугольную волну, но не влияет на информащпо,содержащуюся в сигнале данных. Поскольку бинарный сигнал данных имеетсоставляющие вплоть до нулевой частоты, верхняя и нижняя боковые частотыфактически встретились на частоте Q .

Это обстоятельство делает затрудни­тельным подавление несущей или одной боковой и несущей, без влияния наоставшуюся полосу. Для уменьшения полосы модулированного сигнала можнореально убрать большую часть одной полосы, оставив только небольшой ееконец рядом с несущей. Потери информации нет, так как нижняя полоса простодублирует информацию верхней полосы. Описанный подход назьюается VSB(VSB - vestigial sideband) - модуляция с частично подавленной боковой. Приразумном построении фильтра в системах VSB можно подавить несущую. Этоприведет к подавлению и части верхней полосы, но остаток нижней полосы,который будет сохранен, восполнит недостающие частоты.

Правильная одно­полосная амплитудная модуляция с цифровым модулирующем сигналом мо­жет быть достигнута только путем скрэмблирования (scrambeing - перемеши­вание) изначальных данных (т. е. внося беспорядочность в поток бит) с цельюудаления низкочастотных компонентов, которые образуются от ряда последовательньпс единиц или нулей.

Это влечет рассоединение боковых частот отнесущей частоты, что позволяет отфильтровать одну боковую и несущую.Импульсная амплитудная модуляция (РАМ - pulse amplitude modulation).Она использует модулирующий цифровой сигнал и реализует кодирование бо­лее чем одного бита на бод путем кодирования бинарного сигнала данных всигнал с более чем двумя уровнями. Для примера, биты бинарного сигналаданных могут быть разбиты на пары. Возможны четыре комбинации пары бити каждая пара может быть представлена одним из четьфех уровней амплиту­ды.

Закодированный четырехуровневый сигнал имеет половину скорости в бодах изначального сигнала данных и может быть использован для амплитудноймодуляции несущей обычным образом.Частотная модуляция. В системах частотной модуляции (ЧМ) частотанесущей изменяется в соответствии с формой модулирующего сигнала. В этомслучае частота Q несущей (сигнала-переносчика s(t) = ^sin Q /) модулируетсяфункцией cos cOj/:со = П[1 + mX(t)] = Q[l + ( A C O / Q ; COS СО/],(2.28)где Aco /Q - коэффициент модуляции (относительное изменение частоты);Асо - девиация частоты.Тогда сигнал-переносчикs(t)=A(sm](odt=A(smQtcos(psincOj/) + cosn/sin(p sinco/).(2.29)оЗдесь Р =Асо/со.

- индекс модуляции.572. Основы телекоммуникацииПри Р « 1s{t) «v4(sinQ/ + Р sin cOj/ cos Q/) == ^[sinQ/ + (p/2) sin((0, + Q)/ + (p/2) sin(©,-Q)r],(2.30)T. e. спектр частот ЧМ-сигнала практически не отличается от спектра АМ-сигнала.Системы, в которых модулирующим сигналом является бинарный сигнал и,следовательно, несущая переключается сигналами с одной частоты на другуюпри неизменной амплитуде, называют системами FSK (Frequency SMft Keying)Частотная модуляция помехоустойчива, поскольку искажению при помехахподвергается в основном амплитуда сигнала, а не частота. Необходимая дляэтого вида модуляции ширина спектра сигнала может быгь значительно ужевсей полосы пропускания канала.

Частотная модуляция превосходит ампли­тудную в устойчивости к некоторым воздействиям, присутствующим в теле­фонной сети и ее следует использовать на более низких скоростях, где не тре­буется большая полоса частот. FSK является асинхронной техникой модуляции,для нее не требуется синхроимпульсов в модеме.Фазовая модуляция. При фазовой модуляции (ФМ) информативным па­раметром сигнала-переносчика служит фаза Ф несущей частоты Q:s{t) =А sin{Q/ + Ф + АфЦО}-(2.31)Пусть модулирующей функцией является синусоида X(t) = sin ш/, тогда фазомодулированный сигнал будет описываться вьфажением :s(t) = ^[sin(Q t + Ф)cos(Aф sin ю/) + cos(Q / + Ф)sin(Aф sin ©/)].(2.32)Отсюда видно, что ЧМ и ФМ-сигналы похожи по форме.