Способы передачи данных способы модуляции данных

Способы модуляции

Для согласования спектра цифровых сигналов с полосой пропускания каналов применяются разнообразные виды модуляции. Различают следующие виды модуляции: аналоговая модуляция, аналого-цифровая и цифро-аналоговая.

Модуляцией называется процесс преобразования информационного модулирующего сигнала в форму, пригодного для передачи по соответствующему каналу с изменением параметров другого несущего сигнал. Параметрами несущего сигнала являются его амплитуда, частота, фаза.

Аналоговая модуляция используется для преобразования одного аналогового информационного сигнала в другой аналоговый несущий сигнал. Какой из параметров изменяется, получают следующие виды аналоговой модуляции.

Амплитудная модуляция АМ (amplitude modulation) – информационный сигнал кодируется в виде изменения амплитуды несущего сигнал. Этот тип модуляции используется в системе радиовещания.

Частотная модуляция FM (frequency modulation) – информационный сигнал кодируется в виде частоты несущего сигнала. Этот тип модуляции используется в системах телевещания и спутниковых системах связи.

Фазовая модуляция PM (phase modulation) – информационный сигнал кодирует в виде изменения фазы (временного сдвига) несущего сигнал. Этот тип модуляции применяется в тех же системах, что и FM. Если изменяется несколько параметров, можно получить соответственно амплитудно — фазовой или частотно — фазовой модуляцией.

Цифро — аналоговая модуляция используется для преобразования цифровых сигналов в аналоговую форму (например, в модемах).

Для цифровых сигналов модулирующая функция принимает дискретные значения (0,1) или (1, -1), что приводит к скачкообразным изменениям параметров несущего сигнала. Такая модуляция называется манипуляцией.

Различают следующие виды цифро-аналоговой модуляции:

Цифро-аналоговая модуляция со сдвигом амплитуд ASK (Amplitude Shift Keying) – информационный сигнал кодирует изменения амплитуды несущего сигнала.

Кодирование со сдвигом частот FSK (Frequency Shift Keying) – информационный сигнал кодирует изменение частоты (временного сдвига) несущего сигнал. В зависимости от количества используемых интервалов сдвига этот метод позволяет представить одним модулированным сигналом несколько информационных бит.

Кодирование со сдвигом фазы PSK (Phase Shift Keying) – информационный сигнал кодируется изменением фазы (сдвига) несущего сигнала. Различают абсолютную и относительную фазовую модуляцию.

При абсолютной двухпозиционной фазовой модуляции BPSK (Binary Phase Shift Keying), фаза модулированного колебания при входном сигнале двоичного «0» совпадает со значением фазы опорного (несущего) сигнала, при сигнале двоичной «1» — изменяется на противоположную.

В случае дифференциально-фазовой модуляции (DPSK) фаза текущего колебания изменяется не по отношению к опорному колебанию, а то отношение к фазе предыдущей посылки.

Для увеличения скорости информационного потока широко применяется многопозиционная фазовая модуляция с 4, 8 и 16 значениями сдвига фаз. При 4-позиционной модуляции последовательность бит объединяются по два разряда (в дибиты) используют разности фаз соседних посылок 0º, 90º, 180º, 270º .

При 8-позиционной модуляции поток делят по 3 бита (трибиты), а при 16-позиционной по четыре бита (квадрабиты). Фазовые углы между векторами в первом случае отличаются уже на 45º, во втором – на 22,5º.

Фазовые диаграммы частот называют сигнальным созвездием. Для получения модулированных колебаний с числом сдвига фаз сигнала больше двух используются два сигнала сдвинутых на 90 0 , т.е. находящиеся в квадратуре. В этом случае говорят о квадратурной фазовой модуляции QPSK (Quadrature Phase Shift Keying).

Информационная скорость при многопозиционной передаче увеличивается в log m раз, т. е. если m = 4 (четырехпозиционная манипуляция) скорость передачи в 2 раза выше, при m =16 (16-позиционная манипуляция) скорость увеличивается в четыре раза.

Квадратурная амплитудная модуляция QAM (Quadrature Amplitude Modulation) – информационный сигнал кодирует изменение амплитуды и фазы несущего сигнала.

Одновременно используется два гармонические колебания, сдвинутые по фазе на 90 0 .

В передатчике одна из составляющих синфазна несущей частоты, вторая находится в квадратуре по отношении к колебанию. Иными словами есть косинусная и синусная (квадратурная) несущие. При такой модуляции состояния несущего сигнала можно описать различными амплитудами и фазами.

На рис.1.13 показана четырехуровневая модуляция несущей.

На плоскости процесс кодирования можно представить, отложив в декартовой системе по оси ординат амплитуды синфазного колебания, а по оси абсцисс — амплитуды квадратурной составляющей. В результате получится, что каждому варианту моделирующих амплитуд, соответствует определенная точка на сигнальной плоскости. Если теперь цифровой информационный поток разбить на блоки фиксированной длины и присвоить каждому значению битовой последовательности определенную амплитуду этих составляющих с учетом знака, получим однозначное соответствие между сигнальными точками на плоскости и входной битовой последовательностью. Графически это изображается в виде так называемого сигнального созвездия. Соответствие между группами бит и точками созвездия выбирается таким образом, что бы соседние точки отличались минимальным количеством бит, причем именно старшими разрядами. Метод кодирования QAM8 характеризует восьмью возможными битовыми комбинациями.

На рис.1.14 показано зеркальное созвездие, а таблица 1.9 определяет состояния при таком кодировании.

Амплитуда

Фаза

Битовая комбинация

На рис.1.15 показано зеркальное созвездие при кодировании QAM – 16

Решетчатая модуляции TCM (Trellis Coded Modulation) – аналогична QAM, однако в передаваемый сигнал включается дополнительный бит для коррекции ошибок.

Амплитудно-фазовая модуляция с подавлением несущей и передачей одной боковой полосы CAP (Carrier less Amplitude and Phase Modulation)основана на том, что передача двух боковых полос модулированного сигнала в информационном смысле является избыточной. Осуществляя передачу информации с использованием одной боковой полосы, можно более эффективно использовать мощность сигнала и полосу канала связи. При формировании САР-сигналов на передающей стороне перед суммированием в модуляторе синфазная и квадратурная составляющая подвергается дополнительной фильтрации. Демодулирование САР-сигналов на приемной стороне осуществляется, выполняя предварительное восстановление несущей. Это адаптивная форма кода QAM. Этот метод позволяет корректировать значения символов, учитывая состояние линии (например, шум) в начале соединения.

Способ многочастотной передачи DMT (Discrete multi-tone modulation) использует одновременную передачу QAM-сигналов в различных частотных полосах. Весь частотный диапазон делится на несколько участков фиксированной ширины. Каждый из этих участков используется для организации независимого канала передачи данных. Передатчик, учитывая уровень помех в каждом из участков, выбирает схему модуляции. Если участок имеет малый уровень шумов, применяется алгоритм с большим числом позиций, например, QAM-64. На более зашумленных участках применяются более простые алгоритмы, например, QPSK. При передаче данных информация распределяется между каналами пропорционально их пропускной способности.

Метод DMT оговорен в стандарте Т1.413, разработанном Американским Национальным институтом стандартизации ANSI (American National Standards Institute), в соответствии с чем в канале заданы 256 подканалов, полоса пропускания каждого подканала равна 4,3125 кГц. Каждый подканал независимо модулируется с помощью метода дискретной мо­дуляции QAM. Сигнал передается с помощью постоянного тока при ширине полосы пропускания 1,104 МГц; теоретическая пропускная способность для данных с полосой пропускания 1,104 МГц равна 16,384 Мбит/с. Метод DMT был принят комитетом ANSI как стандарт кодирования для линий связи T1 и используется в системах передачи сигналов по каналам ADSL.

Мультиплексирование с разделением по ортогональным частотам OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) – частный случай способа передачи DMT. Суть способа OFDM заключается в том, что поток передаваемых данных распределяется по множеству частотных подканалов и передача ведется параллельно по всем этим подканалам. Высокая скорость передачи достигается за счет такой одновременной передачи. Для экономии использования всей полосы канала, разделенного на подканалы, желательно как можно более плотно расположить подканалы. В сетях диапазон частот 5,2 ГГц разбит на 12 неперекрывающихся каналов с шириной полосы 20 МГц. Каждый из каналов разбит на 64 подканала с полосой 912,5 кГц. Для передачи данных используются 48 подканалов. Четыре служат для передачи опорных колебаний, а по 6 подканалов справа и слева выполняют функции защитных полос. В любом из каналов можно выполнить передачу со скоростью 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 или 54 Мбит/с. Это определяется выбранным способом фазовой или амплитудно-фазовой модуляции при BPSK – 6 Мбит/с, при QPSK – 12 Мбит/с, при QAM – 16 – 24 Мбит/с, при QA_-64 – 54Мбит/с.

Аналогово-цифровая модуляция используется для преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму, пригодную для передачи по цифровых каналах связи (DS – цифровой сервис).

Различают следующие виды такой модуляции:

1. Дельта – модуляция DM (delta modulation) – аналоговый сигнал представляется последовательностью битов, значения которых определяются изменением уровня аналогового сигнала по сравнению с предыдущим значением.

1. Амплитудно-импульсная модуляция PAM (Pulse amplitude modulation) – величина аналогового сигнала представляется в виде, пропорциональном амплитуде несущего импульса. В сущности, амплитудно-импульсная модуляция делит исходный аналоговый сигнал на дискретные последовательности (значения) сигнала.
2. Кодоимпульсная модуляция PCM (Pulse Code Modulation) – исходный аналоговый сигнал преобразуемый в непрерывный поток бит, чаще всего 8-битовое представление.
3. Адаптивная дифференциальная кодоимпульсная модуляция ADPCM (adaptive differential pulse code modulation) – амплитуда аналогового сигнала представляется 4 разрядным кодом.
4. Модуляция с изменением длительности PDM (pulse duration modulation) – аналоговый сигнал представляет изменения длительности (ширины) дискретного сигнала.
5. Фазоимпульсная модуляция PPM (Pulse position modulation) – аналоговый сигнал представляется изменением времени (фазы) дискретного импульса.

Источник

Способы передачи данных способы модуляции данных

7. ФИЗИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

7.2. Методы передачи дискретных данных

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 также модуляцией или аналоговой модуляцией, подчеркивая тот факт, что кодирование осуществляется за счет изменения параметров аналогового сигнала. Второй способ называют цифровым кодированием. Эти способы отличаются шириной спектра результирующего сигнала и сложностью аппаратуры, необходимой для их реализации.

При использовании прямоугольных импульсов спектр результирующего сигнала получается весьма широким. Применение синусоиды приводит к более узкому спектру при той же скорости передачи информации. Однако для реализации модуляции требуется более сложная и дорогая аппаратура, чем для реализации прямоугольных импульсов.

В настоящее время все чаще данные, изначально имеющие аналоговую форму — речь, телевизионное изображение, — передаются по каналам связи в дискретном виде, то есть в виде последовательности единиц и нулей. Процесс представления аналоговой информации в дискретной форме называется дискретной модуляцией.

Аналоговая модуляция применяется для передачи дискретных данных по каналам с узкой полосой частот – канал тональной частоты (общественные телефонные сети). Этот канал передает частоты в диапазоне от 300 до 3400 Гц, таким образом, его полоса пропускания равна 3100 Гц.

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

Аналоговая модуляция является таким способом физического кодирования, при котором информация кодируется изменением амплитуды, частоты или фазы синусоидального сигнала несущей частоты (рис. 27).

При амплитудной модуляции (рис. 27, б) 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 (рис. 27, в) значения 0 и 1 исходных данных передаются синусоидами с различной частотой – f₀ и f₁,. 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 (рис. 27, г ) значения данных 0 и 1 соответствуют сигналам 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.

Рис. 27. Различные типы модуляции

Спектр результирующего модулированного сигнала зависит от типа и скорости модуляции.

Для потенциального кодирования спектр непосредственно получается из формул Фурье для периодической функции. Если дискретные данные передаются с битовой скоростью N бит/с, то спектр состоит из постоянной составляющей нулевой частоты и бесконечного ряда гармоник с частотами f₀, 3f₀, 5f₀, 7f₀, . , где f₀ = N/2. Амплитуды этих гармоник убывают достаточно медленно — с коэффициентами 1/3, 1/5, 1/7, . от амплитуды гармоники f₀ (рис. 28, а). В результате спектр потенциального кода требует для качественной передачи широкую полосу пропускания. Кроме того, нужно учесть, что реально спектр сигнала постоянно меняется в зависимости от характера данных. Поэтому спектр результирующего сигнала потенциального кода при передаче произвольных данных занимает полосу от некоторой величины, близкой к 0 Гц, до примерно 7f₀ ( гармониками с частотами выше 7f₀ можно пренебречь из-за их малого вклада в результирующий сигнал). Для канала тональной частоты верхняя граница при потенциальном кодировании достигается для скорости передачи данных в 971 бит/ с . В результате потенциальные коды на каналах тональной частоты никогда не используются.

При амплитудной модуляции спектр состоит из синусоиды несущей частоты f _с и двух боковых гармоник: ( f_с + f _m ) и ( f _c – f _m ), где f _m – частота изменения информационного параметра синусоиды, которая совпадает со скоростью передачи данных при использовании двух уровней амплитуды (рис. 28, б). Частота f _m определяет пропускную способность линии при данном способе кодирования. При небольшой частоте модуляции ширина спектра сигнала будет также небольшой (равной 2f _m ), поэтому сигналы не будут искажаться линией, если ее полоса пропускания будет больше или равна 2f _m . Для канала тональной частоты такой способ модуляции приемлем при скорости передачи данных не больше 3100/2=1550 бит/с. Если же для представления данных используются 4 уровня амплитуды, то пропускная способность канала повышается до 3100 бит/ с .

Рис. 28. Спектры сигналов при потенциальном кодировании

и амплитудной модуляции

При фазовой и частотной модуляции спектр сигнала получается более сложным, чем при амплитудной модуляции, так как боковых гармоник здесь образуется более двух, но они также симметрично расположены относительно основной несущей частоты, а их амплитуды быстро убывают. Поэтому эти виды модуляции также хорошо подходят для передачи данных по каналу тональной частоты.

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 во внимание не принимаются. Импульсные коды позволяют представить двоичные данные либо импульсами определенной полярности, либо частью импульса — перепадом потенциала определенного направления.

При использовании прямоугольных импульсов для передачи дискретной информации необходимо выбрать такой способ кодирования, который одновременно достигал бы нескольких целей:

· 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 сигналов позволяет на одной и той же линии добиваться более высокой скорости передачи данных. Часто к спектру сигнала предъявляется требование отсутствия посто­янной составляющей.

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, например, между блоками внутри компьютера или же между компьютером и принтером. Поэтому в сетях применяются так называемые самосинхронизирующиеся коды, сигналы которых несут для передатчика указания о том, в какой момент времени нужно осуществлять распознавание очередного бита (или нескольких бит). Любой резкий перепад сигнала — так называемый фронт — может служить хорошим указанием для синхронизации приемника с передатчиком.

При использовании синусоид в качестве несущего сигнала результирующий код обладает свойством самосинхронизации, так как изменение амплитуды несущей частоты дает возможность приемнику определить момент появления входного кода.

Требования, предъявляемые к методам кодирования, являются взаимно противоречивыми, поэтому каждый из рассматриваемых ниже популярных методов цифрового кодирования обладает своими преимуществами и своими недостатками по сравнению с другими.

На рис. 29, а показан метод потенциального кодирования, называемый также кодированием без возвращения к нулю ( Non Return to Zero , NRZ). Последнее название отражает то обстоятельство, что при передаче последовательности единиц сигнал не возвращается к нулю в течение такта. Метод NRZ прост в реализации, обладает хорошей распознаваемостью ошибок (из-за двух резко отличающихся потенциалов), но не обладает свойством самосинхронизации. При передаче длинной последовательности единиц или нулей сигнал на линии не изменяется, поэтому приемник лишен возможности определять по входному сигналу моменты времени, когда нужно считывать данные. Даже при наличии высокоточного тактового генератора приемник может ошибиться с моментом съема данных, так как частоты двух генераторов никогда не бывают полностью идентичными. Поэтому при высоких скоростях обмена данными и длинных последовательностях единиц или нулей небольшое рассогласование тактовых частот может привести к ошибке в целый такт и, соответственно, считыванию некорректного значения бита.

Другим серьезным недостатком метода NRZ является наличие низкочастотной составляющей, которая приближается к нулю при передаче длинных последовательностей единиц или нулей. Из-за этого многие каналы связи, не обеспечивающие прямого гальванического соединения между приемником и источником, этот вид кодирования не поддерживают. В результате в чистом виде код NRZ в сетях не используется. Тем не менее используются его различные модификации, в которых устраняют как плохую самосинхронизацию кода NRZ, так и наличие постоянной составляющей. Привлекательность кода NRZ, из-за которой имеет смысл заняться его улучшением, состоит в достаточно низкой частоте основной гармоники f₀, ко­торая равна N/2 Гц. У других мето­дов кодирования, например манчестерского, основная гармоника имеет более высокую частоту.

Рис. 29. Способы дискретного кодирования данных

Одной из модификаций метода NRZ является метод биполярного кодирования с альтернативной инверсией ( Bipolar Alternate Mark Inversion , AMI). В этом методе (рис. 29, б) используются три уровня потенциала — отрицательный, нулевой и положительный. Для кодирования логического нуля используется нулевой потенциал, а логическая единица кодируется либо положительным потенциалом, либо отрицательным, при этом потенциал каждой новой единицы противоположен потенциалу предыдущей.

Код AMI частично ликвидирует проблемы постоянной составляющей и отсутствия самосинхронизации, присущие коду NRZ. Это происходит при передаче длинных последовательностей единиц. В этих случаях сигнал на линии представляет собой последовательность разнополярных импульсов с тем же спектром, что и у кода NRZ, передающего чередующиеся нули и единицы, то есть без постоянной составляющей и с основной гармоникой N/2 Гц (где N — битовая скорость передачи данных). Длинные же последовательности нулей также опасны для кода AMI, как и для кода NRZ — сигнал вырождается в постоянный потенциал нулевой амплитуды. Поэтому код AMI требует дальнейшего улучшения.

В целом, для различных комбинаций бит на линии использование кода AMI приводит к более узкому спектру сигнала, чем для кода NRZ, а значит, и к более высокой пропускной способности линии. Например, при передаче чередующихся единиц и нулей основная гармоника f₀ имеет частоту N/4 Гц. Код AMI предоставляет также некоторые возможности по распознаванию ошибочных сигналов. Так, нарушение строгого чередования полярности сигналов говорит о ложном импульсе или исчезновении с линии корректного импульса. Такой сигнал называется запрещенным сигналом ( signal violation ).

В коде AMI используются не два, а три уровня сигнала на линии. Дополнительный уровень требует увеличения мощности передатчика примерно на З дБ для обеспечения той же достоверности приема бит на линии, что является общим недостатком кодов с несколькими состояниями сигнала по сравнению с кодами, которые различают только два состояния.

Существует код, похожий на AMI, но только с двумя уровнями сигнала. При передаче нуля он передает потенциал, который был установлен в предыдущем такте (то есть не меняет его), а при передаче единицы потенциал инвертируется на противоположный. Этот код называется потенциальным кодом с инверсией при единице ( Not Return to Zero with ones Inverted , NRZI ) . Этот код удобен в тех случаях, когда использование третьего уровня сигнала весьма нежелательно, например, в оптических кабелях, где устойчиво распознаются два состояния сигнала — свет и тень.

Кроме потенциальных кодов в сетях используются и импульсные коды, когда данные представлены полным импульсом или же его частью — фронтом. Наиболее простым случаем такого подхода является биполярный импульсный код, в котором единица представлена импульсом одной полярности, а ноль — другой (рис. 29, в). Каждый импульс длится половину такта. Такой код обладает отличными самосинхронизирующими свойствами, но постоянная составляющая может присутствовать, например, при передаче длинной последовательности единиц или нулей. Кроме того, спектр у него шире, чем у потенциальных кодов. Так, при передаче всех нулей или единиц частота основной гармоники кода будет равна N Гц, что в два раза выше основной гармоники кода NRZ и в четыре раза выше основной гармоники кода AMI при передаче чередующихся единиц и нулей. Из-за слишком широкого спектра биполярный импульсный код используется редко.

В локальных сетях до недавнего времени самым распространенным методом кодирования был так называемый манчестерский код (рис. 29, г ). Он применяется в технологиях Ethernet и Token Ring .

В манчестерском коде для кодирования единиц и нулей используется перепад потенциала, то есть фронт импульса. При манчестерском кодировании каждый такт делится на две части. Информация кодируется перепадами потенциала, происходящими в середине каждого такта. Единица кодируется перепадом от низкого уровня сигнала к высокому , а ноль — обратным перепадом. В начале каждого такта может происходить служебный перепад сигнала, если нужно представить несколько единиц или нулей подряд. Так как сигнал изменяется, по крайней мере, один раз за такт передачи одного бита данных, то манчестерский код обладает хорошими самосинхронизирующими свойствами. Полоса пропускания манчестерского кода уже, чем у биполярного импульсного. У него также нет постоянной составляющей, а основная гармоника в худшем случае (при передаче последовательности единиц или нулей) имеет частоту N Гц, а в лучшем (при передаче чередующихся единиц и нулей) она равна N/2 Гц, как и у кодов AMI или NRZ. В среднем ширина полосы манчестерского кода в полтора раза уже, чем у биполярного импульсного кода, а основная гармоника колеблется вблизи значения 3N/4. Манчестерский код имеет еще одно преимущество перед биполярным импульсным кодом. В последнем для передачи данных используются три уровня сигнала, а в манчестерском — два.

На рис. 29, д показан потенциальный код с четырьмя уровнями сигнала для ко­дирования данных. Это код 2В1Q, название которого отражает его суть — каждые два бита (2В) передаются за один такт сигналом, имеющим четыре состояния (1Q). Паре бит 00 соответствует потенциал -2,5 В , паре бит 01 соответствует потенциал -0,833 В, паре 11 — потенциал +0,833 В, а паре 10 — потенциал +2,5 В. При этом способе кодирования требуются дополнительные меры по борьбе с длинными по­следовательностями одинаковых пар бит, так как при этом сигнал превращается в постоянную составляющую. При случайном чередовании бит спектр сигнала в два раза уже, чем у кода NRZ, так как при той же битовой скорости длительность такта увеличивается в два раза. Таким образом, с помощью кода 2В1Q можно по одной и той же линии передавать данные в два раза быстрее, чем с помощью кода AMI или NRZI. Однако для его реализации мощность передатчика должна быть выше, что­бы четыре уровня четко различались приемником на фоне помех.

Источник