Лекция №3. Техническое обеспечение САПР. Передача дискретных данных, страница 3

32 уровня, и фазу на 32 уровня - и получим сразу 5 + 5=10 бит за бод и скорость 600*10=6000 бит/с !Ан нет….. При малых амплитудах шумы будут сильно мешать определению точной фазы отсчета, и как следствие – нарезку и по фазе и амплитудепридется уменьшить…Но шумы воздействуют не на амплитуду и фазу "по отдельности", а на это число целиком, по действительной и мнимой части нашего комплексногочисла. А если попроще...

на листке бумаги рисуются оси координат, вокруг центра рисуется окружность единичного радиуса. Точка внутриокружности соответствует сигналу с амплитудой, равной расстоянию от начала координат, фаза - углу между отрезком от точки до нуля и осьюабсцисс. Шумовая составляющая при отношении Pс/Pш= 20 dB представляется в виде окружности с радиусом 1/10. Voila - мы имеем так называемую"квадратурную" (QAM - quadrature-amplitude modulation) модуляцию, практически идеально использующую шумовые характеристики звуковогоканала.На самом деле все чуть сложней - например, перед передачей битового потока он прогоняется через специальный алгоритм, что бы QAM-кодер не"запутался" в точках, соответствующих малой амплитуде.Квадратурное представление заключается в выражении колебания линейной комбинацией двух ортогональных составляющих — синусоидальной икосинусоидальной: S(t)=x(t)sin(wt+(p))+y(t)cos(wt+(p)), где x(t) и y(t) — биполярные дискретные величины.

Такая дискретная модуляция(манипуляция) осуществляется по двум каналам на несущих, сдвинутых на 90° друг относительно друга, т.е. находящихся в квадратуре (отсюда иназвание представления и метода формирования сигналов).Следующий шаг - введение эхогашения. Если мы имеем полосу в 3кГц в среднем шириной и хотим передавать информацию в обе стороны придется либо делить полосу на две половинки ("туда" и "обратно"), либо...

пытаться устранить собственное эхо, то есть, попытаться "вычесть" извхода приемника сигнал собственного передатчика, орущего ему "в ухо". Вычитание собственного сигнала делается в DigitalSignalProcessor, и"настройка эхогашения" становится обязательным этапом установки соединения. В результате скорость достигает 6000 бит/с.Протокол с нормальной QAM + эхогашение + ретрейн (адаптивность) - выбор «живой полосы» в пределах 3100Гц - из 10-11 полос и предкоррекцияАЧХ в каждой полосе + Треллис-кодирование (избыточность и возможность быстрого восстановления потерянного кода ) быстро привели к скоростям9600 (все кратны 2400) bit/s, потом до 19200бит/c (V32bis) и далее до 33600 – модем V34bis – все это в полосе 3100 Гц!Идея тpеллис - кодов (вариант избыточного кодирования) состоит в том, что pазpешенными являются не все последовательности гpупп битов(последовательность – это несколько последовательных бодов), а лишь некотоpое вполне конкpетное подмножество таких последовательностей.А как передать аналоговый сигнал по цифровой линии связи? Согласно теореме Котельникова для неискаженной передачи должно быть не менеедвух отсчетов на период колебаний, соответствующий высшей составляющей в частотном спектре сигнала.

(Отсюда частота отсчетов при передачеголоса через цифровую линию связи равна 8кГц= 2* 4кГц). Амплитуда исходной непрерывной функции измеряется с заданным периодом - за счетэтого происходит дискретизация по времени. Затем каждый замер представляется в виде двоичного числа определенной разрядности. После этогозамеры передаются по каналам связи в виде последовательности единиц и нулей. Стандартным является цифровой канал 64 Кбит/с (8 кГц х 8бит =64кГц), который также называется элементарным каналом цифровых телефонных сетей.Кроме модуляции различают еще кодирование - процесс преобразования сигнала в форму, удобную для передачи, хранения или автоматическойпереработки.

Код NRZ (Non Return to Zero - без возврата к нулю) - это простейший код, представляющий собой практически обычный цифровойсигнал.Код NRZI - cмена сигнала происходит только при передаче единицы, передача нуля не приводит к изменению напряжения. Частота «изменений» иширина спектра значительно ниже. Разные способы кодирования имеют разную ширину спектра (ширину информационной магистрали) илинеобходимую полосу частот. Чем меньше требуемая полоса частот, тем больше вероятность безошибочной передачи информации.Код трехуровневой передачи MLT-3 (Multi Level Transmission - 3) имеет много общего с кодом NRZI.

Важнейшее его отличие - три уровнясигнала. Единице соответствует переход с одного уровня сигнала на другой, однако, в отличие от кода NRZI, алгоритм формирования выбран такимобразом, чтобы два соседних изменения всегда имели противоположные направления.При передаче нулей (сигнал имеет постоянную составляющую) сигнал не меняется - fо = 0 Гц. При передаче всех единиц информационныепереходы фиксируются на границе битов, и один цикл сигнала вмещает четыре бита. В этом случае fо=N/4 Гц - максимальная частота кода MLT-3 припередаче всех единиц.

В случае чередующейся последовательности код MLT-3 имеет максимальную частоту равную fо=N/8, что в два раза меньше чему кода NRZI, следовательно, этот код имеет более узкую полосу пропускания. Применяется в протоколах 100Мбит/с.Манчестерский код (PE - Phase Encode, Manchester, фазовое кодирование, манчестерское кодирование). В локальных сетях до недавнего временисамым распространенным методом кодирования был манчестерский код.

Он применяется в технологиях Ethernet и Token Ring. В манчестерскомкоде для кодирования единиц и нулей используется перепад потенциала, то есть фронт импульса и каждый такт делится на две части. В началекаждого такта может происходить служебный перепад сигнала, если нужно представить несколько единиц или нулей подряд. Единица кодируетсяперепадом от низкого уровня сигнала к высокому, а ноль - обратным перепадом.Так как сигнал изменяется по крайней мере один раз за такт передачи одного бита данных, то манчестерский код обладает хорошимисамосинхронизирующими свойствами.

У манчестерского кода нет постоянной составляющей (меняется каждый такт), а основная гармоника вхудшем случае (при передаче последовательности единиц или нулей) имеет частоту N Гц, а в лучшем случае (при передаче чередующихся единиц инулей) — N/2 Гц, как и у NRZ. В среднем ширина спектра при манчестерском кодировании в два раза шире чем при NRZ кодировании. Пропускнаяспособность линии требуется в два раза выше, чем при использовании простейшего кода NRZ.Модемы исчезают, но идеи остаются в применении к цифровым абонентским линиям xDSL на примере провайдера Стрим:В цифровых абонентских линиях используется телефонный кабель (медь), но не телефонная аппаратура. Значительно большие скорости передачиданных по сравнению с телефонными технологиями достигаются использованием другой полосы сигнала, эффективных линейных кодов иадаптивных методов коррекции искажений линии и специальных методов модуляции.Нижняя граница диапазона частот находится на уровне 26 кГц. Верхняя же граница, исходя из требований к скорости передачи данных ивозможностей телефонного кабеля, составляет 1,1 МГц.

Эта полоса пропускания делится на две части — частоты от 26 кГц до 138 кГц отведеныисходящему потоку данных, а частоты от 138 кГц до 1,1 МГц — входящему. Полоса частот от 26 кГц до 1,1 МГц была выбрана не случайно. Начиная счастоты 20кГц и выше, до 1 МГц, затухание имеет практически линейную зависимость от частоты.К специальным методам модуляции относятся амплитудно-фазовой модуляция без несущей (CAP - вариант квадратурной амплитудноймодуляции QAM) и дискретная многотоновая модуляции (DMT).

При DMT вся полоса пропускания DSL разбивается на 256 каналов. Каждый каналзанимает 4,3125 КГц (4 кГц+312.5 Гц защитная полоса).Первые шесть каналов (0-25 кГц) резервируются для полосы пропускания аналоговых телефонов и организации защитной полосы между аналоговымтелефоном и сигналом DMT. Затем следуют 25 каналов исходящего потока с 7 по 31. Они используют спектр от 26 кГц до 138 кГц.

Каналы с 32 по 256используются для входящего потока. Данные передаются одновременно и параллельно во множестве параллельных каналов. В каждом из каналовиспользуется амплитудно-фазовая модуляция (QAM). При максимальном соотношении сигнал/шум (SNR-Signal – Noise-Ratio) в каждом канале однимсимволом в каждый момент времени возможно передать 8-10 бит информации. Символьную скорость передачи примем 4000 симв/c. Отсюдатеоретическая максимальная скорость в канале (8-10) * 4000 = 32- 40 Кбит/c.Для указания типа алгоритма QAM принята следующая схема обозначения: QAM - <число> (QAM-4, QAM-64, и т.д.

где число характеризуетвариации параметров, равные числу бит). Сигнал по-прежнему характеризуется частотой, амплитудой и фазой, а каждое состояние этой амплитуды ифазы записывается группой бит. Нарезаем фазу по 45 градусов (на 8 кусочков), амплитуду - на четыре уровня (итого 3+2=5 бит на бод), и получаеминформационную скорость в 5 раз больше бодовой (QAM-32).Естественно, что бесконечно увеличивать количество узлов (а фактически различий в фазе и амплитуде) принимаемого сигнала не позволяют шумы,которые действуют и на амплитуду и на фазу одновременно. Поэтому с увеличением дробления сетки требуется улучшение отношения сигнал/ шум.Помехоустойчивость оценивается по критерию частоты появления ошибки (BER – Bit Error Rate) BER≤10-7. При ухудшении SNR (Signal – Noise-Ratio) впотоке данных появляется чрезмерное количество ошибок.Табл.Количество бит/символ4689101214Разрядность QAM16642565121024409616384SNR (дБ) для BER<10-721.827.833.836.839.945.951.9QAM-16DMTОсобенность алгоритма САР заключается в специальной обработке модулированного информационного сигнала перед его отправкой в линию.