Лекции 2010-го года (1130544), страница 10
Текст из файла (страница 10)
В случае аналоговогосигнала и цифровой модуляции происходит предварительно оцифровывание сигнала.Смысл процесса оцифровки состоит в том, что с определенной частотой замеряетсяуровень сигнала. Результаты замера представляют в виде некоторого кода, которыйпередают с помощью цифрового кодирования. Как мы увидим позже, уровни и видимпульса при цифровом кодировании имеют большое значение для скорости инадежности передачи.При аналоговой и цифровой передачах факторы, искажающие передаваемый сигнал,влияют по-разному.
Поскольку при передаче всегда происходит потеря энергии сигнала,то для передачи на большие расстояния передаваемый сигнал надо периодическиусиливать. Однако при этом будет усиливаться и шум, примешанный к сигналу припередаче. После серии таких усилений форма сигнала может измениться донеузнаваемости. В случае цифровых сигналов это приведет к ошибке передачи, а в случаеаналоговых сигналов – к искажению или просто потере сигнала. На рисунке 2-4 показановлияние шума на цифровой сигнал.Рисунок 2-4.
Влияние шума на цифровой сигнал102.1.3. Взаимосвязь пропускной способности канала и его полосыпропусканияМаксимальную скорость, с которой канал способен передавать сигнал, называютпропускной способностью канала.В 1924 Найквист открыл взаимосвязь пропускной способности канала и его полосыпропускания.Теорема Найквистаmax data rate = 2Hит/сек,где H – ширина полосы пропускания канала, выраженная в Гц, V - количество уровней всигнале.Из этой формулы следует, например, что канал с полосой 3КГц не может передаватьдвухуровневые сигналы быстрее 6000 бит/сек.Эта теорема также показывает, что, например, бессмысленно сканировать линию чаще,чем удвоенная ширина полосы пропускания.
Действительно, все частоты выше этойотсутствуют в сигнале.Однако теорема Найквиста не учитывает шум в канале, который измеряется какотношение мощности полезного сигнала к мощности шума: S/N. Эта величина измеряется11в децибелах: 10 log10(S/N) dB. Например, если отношение S/N равно 10, то говорят о шумев 10 dB, если отношение равно 100, то - 20 dB.На случай канала с шумом есть теорема Шеннона, по которой максимальная скоростьпередачи по каналу с шумом равнаH log2 (1+S/N) бит/сек.,где S/N - соотношение сигнал-шум в канале.Здесь уже не важно количество уровней в сигнале.
Это теоретический предел, которойредко достигается на практике. Например, по каналу с полосой пропускания в 3000 Гц иуровнем шума 30dB (это характеристики стандартной телефонной линии) нельзя передатьданные быстрее, чем со скоростью 30 000 бит/сек.2.1.4. Сигналы с ограниченной полосой пропусканияРассмотрим теперь, как влияют на скорость передачи данных способ их представления.Пусть мы хотим передать символ b в ASCII-коде - 01100010. На рисунке 2-2 (а) показаныформа сигнала и основные гармоники. Коэффициенты этих гармоник могут бытьполучены из (1) в следующей форме:На рисунке 2-2 (b-e) показана форма передаваемого сигнала в зависимости от количестваиспользуемых гармоник.Как мы уже отмечали в разделе 2.1.2, скорость передачи данных зависит от способапредставления данных на физическом уровне и сигнальной скорости, или скоростимодуляции - скорости изменения значения сигнала.
Скорость изменений сигнала всекунду измеряется в единицах, называемых бот. Если скорость изменения значениясигнала b бот, то это не означает, что данные передается со скоростью b бит/сек. Многоезависит способа кодирования сигнала: одно изменение значения может кодировать сразунесколько бит.
Если используется 8 значений (уровней) сигнала, то каждое изменение егозначения кодирует сразу 3 бита. Если используется только два значения сигнала, тоскорость в битах равна скорости в ботах.Рисунок 2-2. Сигнал как функция частоты12Если имеется линия со скоростью b бит/сек, то для передачи 8 бит потребуется 8/b секунд.Следовательно, частота первой гармоники будет b/8 Гц.
Телефонная линия позволяетпередавать с максимальной частотой 3000 Гц (это ее полоса пропускания). Максимальноечисло гармоник может быть 3000 8/b = 24000/b. Например, если мы хотим передаватьданные со скоростью 9600 бит/сек, то сможем использовать не более 2 гармоник, т.е.сигнал, как на 2-2 (а) будет передаваться, как на 2-2 (c), что переводит проблемукачественной передачи в область фокусов.Другой аспект способа кодирования – это спектр частот, необходимых для передачсигнала. При разных способах кодирования он разный.Раздел 2.2. Представление данных на физическом уровнеКак мы узнали из предыдущего раздела, способ представления данных существенновлияет на скорость передачи.
Ранее мы уже отмечали, что данные и сигналы могут бытьпредставлены либо в аналоговой, либо в цифровой форме. На рисунке 2-5 показаны схемыцифровой и аналоговой передачи. При цифровой передаче данные из источника g(t)преобразуют в цифровой сигнал x(t). Данные g(t) могут быть как аналоговыми, так ицифровыми.
Форму x(t) выбирают так, чтобы оптимально использовать возможностисреды передачи. Например, создать канал с максимальной пропускной способностью.Рисунок 2-5. Схемы аналоговой и цифровой передачи13Основой аналоговой передачи является непрерывный сигнал с постоянной частотой,который называют несущим сигналом. Частоту несущего сигнала выбирают, исходя изхарактеристик физической среды передачи.
Данные передают, изменяя параметрынесущего сигнала, или, как говорят в этом случае, модулируя несущий сигнал. Процессмодуляции состоит в управляемом изменении трех основных параметров сигнала:частоты, амплитуды и фазы.Как видно из рисунка 2-5, возможны четыре перечисленные ниже комбинации, все ихкоторых встречаются на практике:• Цифровые данные – цифровой сигнал. Оборудование для преобразования данных вцифровой форме в цифровой сигнал дешевле и проще, чем оборудование дляпреобразования данных в аналоговой форме в цифровой сигнал.• Аналоговые данные – цифровой сигнал. Использование сигнала в цифровой формепозволяет применять современные средства цифровой передачи, достоинствакоторой перед аналоговой отмечались выше.• Цифровые данные – аналоговый сигнал.
Некоторые физические среды передачи,например, оптоволокно, электромагнитные поля могут передавать сигналы тольков аналоговой форме.• Аналоговые данные – аналоговый сигнал. Аналоговые данные в электрическойформе могут легко и дешево передаваться с помощью аналоговых сигналов.Хорошим примером этому случаю является телефония, которую мы рассмотрим вразделе 2.5.Теперь перейдем к рассмотрению каждого из этих четырех случаев.2.2.1. Цифровые данные – Цифровые сигналыВ этом разделе мы рассмотрим представление цифровых данных с помощью сигналов вцифровой форме и то, как это представление влияет на передачу данных.Цифровой сигнал – это дискретная последовательность импульсов по напряжению,каждый из которых имеет ступенчатую форму. Каждый импульс – это единичный сигнал.14В общем случае данные в двоичной форме при передаче кодируются так, что один битданных может быть отображен в несколько единичных сигналов.
В простейшем случаеэто соответствие имеет однозначный характер: один бит – один единичный сигнал. Впримерах, приведенных в предыдущих разделах, мы как раз встречали именно этотпростейший случай, когда двоичная 1 была представлена высоким потенциалом, адвоичный 0 – низким. В этом разделе мы рассмотрим разные схемы кодирования данныхна физическом уровне.Если все единичные сигналы имеют одинаковую полярность (т.е. все положительную иливсе отрицательную), то говорят, что сигнал униполярный.
В противном случаелогическую единицу представляют положительным потенциалом, а логический ноль –отрицательным. Скорость передачи данных – это количество бит в секунду, которыепередают с помощью сигналов. Эту скорость также называют битовой скоростью.Продолжительность (длина) бита – это интервал времени, которое нужно передатчику,чтобы испустить последовательность надлежащих единичных сигналов.
При скоростипередачи данных R бит/сек, длина бита равна 1/R. Напомним, что скорость модуляции илисигнальная скорость измеряется в бот – это скорость изменения уровня сигнала. Оченьмногое зависит от способа кодировки данных. Как уже было отмечено в разделах 2.1.2 и2.1.4, за одно изменение уровня сигнала можно передать несколько бит данных.Теперь рассмотрим, какие задачи должен решать приемник при передаче. Эти задачихорошо иллюстрирует рисунок 2-4 (раздел 2.1.2). Прежде всего, приемник должен бытьточно настроен на длину бита.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
