Э. Таненбаум, Д. Уэзеролл - Компьютерные сети (1114668), страница 45
Текст из файла (страница 45)
Чтобы послать 1, передатчик чередует уровнимежду +1 В и −1 В так, чтобы они всегда давали среднее. Эту схему называют биполяр-150 Глава 2. Физический уровеньным кодированием. В телефонных сетях ее называют AMI (Alternate Mark Inversion,схема биполярного кодирования, в которой последовательные объекты кодируютсяпротивоположной полярностью), основываясь на старой терминологии, в которой 1 называют «маркой» и 0 называют «пробелом». Пример показан на рис. 2.17, д.Биполярное кодирование добавляет уровень напряжения, чтобы достигнуть баланса.
Или мы можем использовать для достижения баланса отображение, такое как4B/5B (так же как переходы для синхронизации). Пример симметричного кода — линейный код 8B/10B. Он отображает 8 входных бит на 10 выходных бит, таким образом,это на 80 % эффективно, точно так же, как код линии 4B/5B. 8 бит разделены на группуиз 5 бит, которые отображаются на 6 бит, и группу из 3 бит, которые отображаютсяна 4 бита. 6-битовые и 4-битовые символы таким образом связаны. В каждой группенекоторые входные образцы могут быть отображены на симметричные выходныеобразцы, у которых одинаковое число нулей и единиц.
Например, «001» отображенна симметричный «1001». Но комбинаций недостаточно много для того, чтобы всевыходные образцы были сбалансированы. Поэтому каждый входной образец отображен на два выходных образца. У каждого будет один с дополнительной 1 и одинс дополнительным 0. Например, «000» отображен и на «1011» и на его дополнение«0100». Когда происходит отображение входных битов, кодирующее устройствопомнит неравенство предыдущего символа. Неравенство — общее количество нулейили единиц, которые делают сигнал не сбалансированным. Кодирующее устройствовыбирает или выходной образец, или его альтернативу, чтобы уменьшить неравенство.Для кода 8B/10B самое большое неравенство будет составлять 2 бита.
Таким образом,сигнал никогда не будет сильно не сбалансирован. И в нем никогда не будет большечем пяти последовательных единиц или нулей, что облегчит синхронизацию.2.5.2. Передача в полосе пропусканияЧасто для отправления информации по каналу мы хотим использовать диапазончастот, который начинается не в нуле. Для беспроводных каналов непрактично посылать сигналы на очень низких частотах, потому что размер антенны зависит от длиныволны сигнала и становится огромным. В любом случае, выбор частот обычно диктуют регулирующие ограничения и потребность избежать помех. Даже для проводовполезно помещать сигнал в заданный диапазон частот, чтобы позволить различнымвидам сигналов сосуществовать на канале.
Этот вид передачи называют передачейв полосе пропускания, потому что для передачи используется произвольная полосачастот.К счастью, во всех фундаментальных результатах, изложенных ранее в этой главе, фигурировала полоса пропускания или ширина диапазона частот. Абсолютныезначения частоты не имеют значения для полосы пропускания. Это означает, что мыможем взять низкочастотный сигнал, который занимает диапазон от 0 до B Гц, и сместить его, чтобы занять полосу пропускания от S до S + B Гц, не изменяя количествоинформации, которую он может перенести, даже при том, что сигнал будет выглядетьпо-другому.
Чтобы обработать сигнал в приемнике, мы можем сместить его обратнов область низких частот, где более удобно определять символы.В цифровой модуляции передача в полосе пропускания достигается, регулируяили модулируя сигнал несущей, которая находится в полосе пропускания. Мы можем2.5. Цифровая модуляция и мультиплексирование 151модулировать амплитуду, частоту или фазу сигнала несущей. Каждый из этих методовимеет соответствующее название. В ASK (Amplitude Shift Keying, амплитудная манипуляция), чтобы представить 0 и 1, используются две различные амплитуды.
Примерс ненулевым и нулевым уровнем показан на рис. 2.18, б. Для представления большегочисла символов может использоваться большее число уровней. Аналогично, при FSK(Frequency Shift Keying, частотная манипуляция) используется два или несколькоразличных тона.
Пример на рис. 2.18, в использует только две частоты. В самой простой форме PSK (Phase Shift Keying, фазовая манипуляция) несущая систематическиподворачивается на 0 или 180 градусов через определенные интервалы времени. Поскольку используются две фазы, этот вид носит название BPSK (Binary Phase ShiftKeying, бинарная фазовая манипуляция). «Бинарный» здесь означает два символа,а не то, что символы представляют 2 бита. Пример показан на рис. 2.18, г.
Улучшенныйвариант, который использует полосу канала более эффективно, состоит в том, чтобыиспользовать четыре сдвига, например на 45, 135, 225 или 315 градусов для передачидвух бит информации за один временной интервал. Этот вариант называют QPSK(Quadrature Phase Shift Keying, квадратурная фазовая манипуляция).Рис. 2.18. Сигналы: а — бинарные; б — амплитудная манипуляция; в — фазовая манипуляция;г — квадратурная фазовая манипуляцияМы можем объединить эти схемы и использовать больше уровней, чтобы передатьбольше битов за символ.
Одновременно может быть промодулирована только либо152 Глава 2. Физический уровеньчастота, либо фаза, потому что они связаны, частота является скоростью измененияфазы во времени. Обычно комбинируются амплитудная и фазовая модуляция.
Нарис. 2.19 показана три примера. В каждом примере точки показывают комбинацииамплитуды фазы каждого символа. На рис. 2.19, а изображены точки, расположенныепод углами 45, 135, 225 и 315 градусов, с постоянным уровнем амплитуды (это виднопо расстоянию до них от начала координат. Фаза этих точек равна углу, который линия, проведенная через точку и начало координат, составляет с положительным направлением горизонтальной оси. Амплитуда точки — расстояние от начала координат.Этот рисунок — представление QPSK.Такие диаграммы называются диаграммами созвездий. На рис. 2.19, б изображендругой комбинированный метод модуляции, с более плотным сигнальным созвездием, использующий 16 комбинаций амплитудных и фазовых сдвигов. С его помощьюможно передавать уже 4 бита на символ. Такая схема называется квадратурнойамплитудной модуляцией, или QAM-16 (Quadrature Amplitude Modulation).
Нарис. 2.23, в изображена еще более плотная схема модуляции. С помощью 64 комбинаций можно в один символ поместить 6 бит. Метод называется QAM-64. Используются схемы QAM и более высоких порядков. Как вы можете предположить из этихдиаграмм, легче создать электронику, чтобы произвести символы как комбинациюзначений на каждой оси, чем как комбинацию значений фазы и амплитуды. Именнопоэтому образцы похожи на квадраты, а не концентрические круги.Рис. 2.19. Модуляция: а — QPSK; б — QAM-16; в — QAM-64Созвездия, которые мы видели до сих пор, не показывают, как биты назначаютсясимволам.
При этом важно, чтобы небольшой скачок шума в приемнике не приводил ко многим битовым ошибкам. Это могло бы произойти, если бы мы назначалипоследовательные битовые значения смежным символам. Используя, например,QAM‑16, когда один символ — 0111 и соседний символ — 1000, если приемник поошибке выбирает смежный символ, все биты будут неправильными. Лучшее решениесостоит в том, чтобы отобразить биты на символы так, чтобы смежные символы отличались только по одной позиции двоичного разряда. Это отображение называют кодомГрэя. Рисунок 2.20 показывает созвездие QAM-16, к которому применено кодированиеГрэя.
Теперь, если приемник расшифрует символ ошибочно, он сделает только однубитовую ошибку в ожидаемом случае, что расшифрованный символ близок к переданному символу.2.5. Цифровая модуляция и мультиплексирование 153Q0000110001001000B00010101E11011001CA001101111111001001101110DI1011ABCDE11011100100111110101011111010Рис.
2.20. QAM-16 с применением кодирования Грея2.5.3. Частотное уплотнениеСхемы модуляции, которые мы рассмотрели, позволяют посылать один сигнал дляпередачи данных по проводу или беспроводному каналу. Однако экономия ресурсовиграет важную роль в сетях передачи данных. Стоимость прокладки и обслуживаниямагистрали с высокой пропускной способностью и низкокачественной линии практически одна и та же (то есть львиная доля этой стоимости уходит на рытье траншей,а не на сам медный или оптоволоконный кабель). Вследствие этого были развитысхемы мультиплексирования для совместно использования линий многими сигналами.FDM (Frequency Division Multiplexing, мультиплексирование с разделениемчастоты, частотное уплотнение) использует передачу в полосе пропускания, чтобысовместно использовать канал.
Спектр делится на диапазоны частот, каждый пользователь получает исключительное владение некоторой полосой, в которой он можетпослать свой сигнал. AM-радиовещание иллюстрирует FDM. Выделенный спектр составляет приблизительно 1 МГц, примерно от 500 до 1500 кГц. Другие частоты выделены другим логическим каналам (станциям), каждая станция действует в части спектра,с межканальным разделением, достаточно большим, чтобы предотвратить помехи.Более подробный пример на рис. 2.21 показывает, как три речевых телефонныхканала могут объединяться в одну линию с использованием частотного уплотнения.Фильтры ограничивают используемую полосу частот примерно 3100 Гц на каждыйречевой канал.
Когда одновременно мультиплексируется множество каналов, на каждый выделяется полоса 4000 Гц. Избыток называют защитной полосой. Она сохраняетканалы хорошо отделенными. Для начала сигналы повышаются по частоте, причемдля разных каналов величины сдвигов разные. После этого их можно суммировать,поскольку каждый канал теперь сдвинут в свою область спектра. Заметьте, что дажепри том, что между смежными каналами благодаря защитным полосам есть промежутки, имеется некоторое наложение.
Это связано с тем, что у реальных фильтров нетидеального резкого края. Это означает, что сильный всплеск в одном канале можетощущаться как нетермальный шум в соседнем канале.154 Глава 2. Физический уровеньРис. 2.21. Частотное уплотнение: а — исходные спектры сигналов; б — спектры,сдвинутые по частоте; в — уплотненный каналЭта схема много лет использовалась для мультиплексирования звонков в телефонной сети, но теперь предпочтение отдается мультиплексированию по времени. ОднакоFDM продолжает использоваться в телефонных сетях, а также в сотовых, наземныхрадио и спутниковых сетях на более высоком уровне разбиения.При отправке цифровых данных возможно эффективно разделить спектр, не используя защитные полосы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
