Виды модуляции в компьютерных сетях
Методы и технологии модуляции сигнала на физическом уровне меняются в зависимости от стандарта беспроводной сети. В этом нет ничего странного, так как каждая технология имеет свои ограничения и достичь каких-либо новых результатов с применением старых технологий удается крайне редко.
Как бы там ни было, сегодня существуют следующие спецификации и технологии физического уровня беспроводной сети:
• спецификация для работы в инфракрасном диапазоне;
• спецификация DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) – определяет работу устройств в диапазоне радиочастот по радиоканалам с широкополосной модуляцией с прямым расширением спектра методами прямой псевдослучайной последовательности;
• спецификация FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) – определяет работу устройств в диапазоне радиочастот по радиоканалам с широкополосной модуляцией со скачкообразной перестройкой частоты методами псевдослучайной перестройки частоты;
• спецификация OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) – определяет работу устройств в диапазоне радиочастот по радиоканалам с использованием подканалов с разными несущими частотами;
• технология кодирования Баркера – описывает способ кодирования данных с помощью последовательностей Баркера;
• технология ССК (Complementary Code Keying) – описывает способ дополнительного кодирования битов передаваемой информации;
• технология CCK-OFDM – описывает способ кодирования данных с помощью гибридного метода, что позволяет увеличить скорость передачи сигнала при невысокой избыточности данных;
• технология QAM (Quadrature Amplitude Modulation, QAM) – описывает способ квадратурной амплитудной модуляции сигнала, который работает на скорости выше 48 Мбит/с;
• технология MIMO (Multiple Input, Multiple Output, MIMO) – передовая технология, описывающая перспективные способы передачи данных путем более эффективного разделения радиоканала на полосы с возможностью параллельной передачи и преобразования цифрового сигнала.
Когда появились первые образцы оборудования, они работали в диапазоне частот 902–928 МГц. При этом достигалась скорость передачи данных 215–860 Кбит/с с использованием метода расширения спектра прямой последовательностью (DSSS). Указанный диапазон частот разбивался на каналы шириной около 5 МГц, что при скорости передачи данных 215 Кбит/с составляет пять каналов. При максимальной скорости передачи данных спектр сигнала достигает 19 МГц, поэтому получался только один частотный канал шириной 26 МГц.
Когда это оборудование только появилось, его скорости передачи данных было достаточно для многих задач при нескольких подключенных компьютерах. Однако чем больше подключалось компьютеров, тем ниже становилась скорость. Например, если к сети подключено пять компьютеров, то реальная скорость передачи данных будет в пять раз меньше теоретической. Получается, что чем больше компьютеров в сети, тем меньше скорость, что при теоретической скорости передачи данных 860 Кбит/с чрезвычайно мало.
Конечно, скорость можно было бы со временем увеличить, однако начали сказываться и другие факторы, самым главным из которых стало использование диапазона 900 МГц операторами мобильной связи. Именно это и привело к тому, что первое оборудование не прижилось среди пользователей. Проанализировав сложившуюся ситуацию, было принято решение использовать диапазон частот 2400–2483,5 МГц, а вскоре – 5,15-5,35 ГГц, 5150–5350 МГц и 5725–5875 МГц, что позволило добиться не только большей пропускной способности, но и большей помехозащищенности. Кроме того, потенциал использования высоких частот намного больше.
Смысл метода расширения спектра методом прямой псевдослучайной последовательности (DSSS) заключается в приведении узкополосного спектра сигнала к его широкополосному представлению, что позволяет увеличить помехоустойчивость передаваемых данных.
При использовании метода широкополосной модуляции с прямым расширением спектра диапазон 2400–2483,5 МГц делится на 14 перекрывающихся каналов или три неперекрывающихся канала с промежутком в 25 МГц.
Для пересылки данных используется всего один канал, причем для повышения качества передачи и снижения потребляемой при этом энергии[8] (за счет снижения мощности передаваемого сигнала) используется последовательность Баркера, характеризующаяся достаточно большой избыточностью. Избыточность кода позволяет избежать повторной передачи данных, даже если пакет частично поврежден.
При использовании метода широкополосной модуляции со скачкообразной перестройкой частоты диапазон 2400–2483,5 МГц делится на 79 каналов шириной в 1 МГц. Данные передаются последовательно по разным каналам, создавая определенную схему переключения между ними. Всего существует 22 такие схемы, причем схему переключения должен согласовать и отправитель данных, и их получатель. Схемы переключения разработаны таким образом, что шанс использования одного канала разными отправителями минимален.
Переключение между каналами происходит очень часто, что обусловлено малой шириной канала (1 МГц), поэтому метод FHSS в своей работе использует весь доступный диапазон частот, а соответственно и все каналы.
Метод ортогонального частотного мультиплексирования – один из «продвинутых» и скоростных методов передачи данных. В отличие от методов DSSS и FHSS, он осуществляет параллельную передачу данных по нескольким частотам радиодиапазона. При этом информация еще и разбивается на части, что не только позволяет увеличить скорость передачи данных, но и улучшает качество пересылки.
Данный метод модуляции сигнала может работать в двух диапазонах: 2,4 ГГц и 5 ГГц.
Метод двоичного пакетного сверточного кодирования (Packet Binary Convolutional Coding, РВСС) используется (опционально) при скорости передачи данных 5,5 Мбит/с и 11 Мбит/с. Этот же метод, только слегка модифицированный, используется и при скорости передачи данных 22 Мбит/с.
Принцип метода базируется на том, что каждому биту информации, который нужно передать, ставится в соответствие два выходных бита (так называемый дибит), созданных в результате преобразований с помощью логической функции XOR и нескольких запоминающих ячеек.[9] Поэтому этот метод и носит название сверточного кодирования со скоростью 1/2, а сам механизм кодирования называется сверточным кодером.
Примечание
При скорости входных битов N бит/с скорость выходной последовательности (после сверточного кодера) составляет 2N бит/с. Отсюда и понятие скорости – один к двум (1/2).
Использование сверточного кодера позволяет добиться избыточности кода, что, в свою очередь, повышает надежность приема данных.
Метод РССС также позволяет работать со скоростью передачи данных в 22 Мбит/с и 33 Мбит/с. При этом используется пунктурный кодер и другая фазовая модуляция.
Рассмотрим скорость передачи данных 22 Мбит/с, которая вдвое выше скорости 11 Мбит/с. В этом случае сверточный кодер согласно своему алгоритму работы из каждых двух входящих битов будет делать четыре исходящих бита, что приводит к слишком большой избыточности кода, а это не всегда подходит при тех или иных условиях помех. Чтобы уменьшить лишнюю избыточность, используется пунктурный кодер, задача которого – удаление лишнего бита в группе из четырех битов, выходящих из сверточного кодера.
Технология кодирования Баркера
Чтобы повысить помехоустойчивость передаваемого сигнала, то есть увеличить вероятность безошибочного распознавания сигнала на приемной стороне в условиях шума, можно воспользоваться методом перехода к широкополосному сигналу, добавляя избыточность в исходный сигнал. Для этого в каждый передаваемый информационный бит «встраивают» определенный код, состоящий из последовательности так называемых чипов.
Чтобы особо не вникать в математические подробности, можно сказать лишь, что, подобрав специальную комбинацию последовательности чипов и превратив исходящий сигнал практически в нераспознаваемый шум, в дальнейшем при приеме сигнал умножается на специальным образом вычисленную корреляционную функцию (код Баркера). В результате все шумы становятся в 11 раз слабее, при этом остается только полезная часть сигнала – непосредственно данные.
Казалось бы, что можно сделать с сигналом, состоящим из сплошного шума? На самом деле, применив код Баркера, можно достичь гарантированного качества доставки данных. Правда, при этом максимальная скорость передачи данных слишком мала, чтобы обеспечить приемлемую скорость работы большой сети.
Данный текст является ознакомительным фрагментом.
Продолжение на ЛитРес
Традиционная обработка сигнала
Традиционная обработка сигнала В этой части изложения мы рассмотрим традиционные модели перехвата сигналов и установки для них собственных обработчиков (в том числе и игнорирование или восстановление стандартной обработки по умолчанию). Термин «традиционный» здесь
«Старая» модель обработки сигнала
«Старая» модель обработки сигнала В ранних версиях UNIX была принята единственная модель обработки сигналов, основанная на функции signal(), которая подразумевает семантику так называемых «ненадежных сигналов», принятую в этих ОС. Позже эта модель была подвержена
12.1.1. Жизненный цикл сигнала
12.1.1. Жизненный цикл сигнала Сигналы имеют четко определенный жизненный цикл: они создаются, сохраняются до тех пор, пока ядро не выполнит определенное действие на основе сигнала, а затем вызывают совершение этого действия. Создание сигнала называют по-разному: поднятие
12.7.1. Получение контекста сигнала
12.7.1. Получение контекста сигнала Информация о том, как и почему был сгенерирован сигнал, называется контекстом[68] сигнала. Приложения, которые должны видеть этот контекст, используют обработчики сигналов, отличающиеся от нормальных. Они включают два дополнительных
20.2. Выдача звукового сигнала
20.2. Выдача звукового сигнала Заставить консоль генерировать звуковой сигнал в течение определенного периода времени на указанной частоте совсем не сложное дело. Для этого существуют два способа. Первый состоит во включении или отключении постоянной тональной посылки.
Отправление сигнала
Отправление сигнала Ядро генерирует и отправляет процессу сигнал в ответ на ряд событий, которые могут быть вызваны самим процессом, другим процессом, прерыванием или какими-либо внешними событиями. Можно выделить основные причины отправки сигнала: Особые
Доставка и обработка сигнала
Доставка и обработка сигнала Для каждого сигнала в системе определена обработка по умолчанию, которую выполняет ядро, если процесс не указал другого действия. В общем случае существуют пять возможных действий: завершить выполнение процесса (с созданием образа core и без),
5.9. Обработка сигнала SIGCHLD
5.9. Обработка сигнала SIGCHLD Назначение состояния зомби — сохранить информацию о дочернем процессе, чтобы родительский процесс мог ее впоследствии получить. Эта информация включает идентификатор дочернего процесса, статус завершения и данные об использовании ресурсов
Применение IPC в обработчике сигнала функции
Применение IPC в обработчике сигнала функции Существует еще один корректный путь решения нашей проблемы. Вместо того чтобы просто возвращать управление и, как мы надеемся, прерывать блокированную функцию recvfrom, наш обработчик сигнала при помощи средств IPC (Interprocess Communications
Простой пример использования сигнала SIGURG
25.3. Эхо-сервер UDP с использованием сигнала SIGIO
25.3. Эхо-сервер UDP с использованием сигнала SIGIO В этом разделе мы приведем пример, аналогичный правой части рис. 25.1: UDP-сервер, использующий сигнал SIGIO для получения приходящих дейтаграмм. Этот пример также иллюстрирует использование надежных сигналов стандарта POSIX.В данном
26.2.2. Обнаружение сигнала
26.2.2. Обнаружение сигнала Некоторые сигналы можно захватить и выполнить соответствующие действия. Другие сигналы нельзя уловить. Например, если команда получает сигнал 9, пользователю не нужно предпринимать какие?либо действия.Если ограничиться написанием сценариев,
26.3.2. Захват сигнала и выполнение действий
26.3.2. Захват сигнала и выполнение действий Наиболее часто выполняемым действием является удаление временных файлов.В следующем сценарии с помощью команд df и ps непрерывно добавляется информация во временные файлы HOLD1.$$ и HOLD2.$$. Не забывайте, что символы $$ заменяют ID
Классификация ТВ-тюнеров по типу принимаемого сигнала
Классификация ТВ-тюнеров по типу принимаемого сигнала Телевизионные тюнеры для компьютеров могут характеризоваться способностью обработки аналогового и цифрового сигналов. Можно встретить тюнеры трех видов: работающие с аналоговым сигналом, работающие с цифровым
Конвертеры сигнала
Конвертеры сигнала Рассмотрим второй, очень важный компонент системы спутникового телевидения – конвертер сигнала. Конвертер представляет собой небольшой электронный блок, находящийся в фокусе спутниковой антенны. Он собирает сигнал, отраженный от зеркала тарелки,
ТЕХНОЛОГИИ: Контроллер контроллеру рознь: Паровозные технологии XXI века
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: ( fс + 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.
- Позволяет сформировать радиосигнал, который будет обладать свойствами соответствующими свойствам несущей частоты. О свойствах волн разных частотных диапазонов можно почитать, например, тут.
- Позволяет использовать антенны малого размера, ведь размер антенны должен быть пропорционален длине волны.
- Позволяет избежать интерференции с другими радиосигналами.
Антенна длинной 24 километра не кажется достаточно удобной в использовании.
Если же мы будем передавать этот сигнал наложенным на несущую частоту в 2.5 ГГц (частота используемая в Yota WiMax), то нам понадобится антенна длиной 12 см.
Аналоговая модуляция.
Прежде чем перейти непосредственно к цифровой модуляции, приведу картинку, иллюстрирующую аналоговую AM (амплитудную) и FM (частотную) модуляцию, которая освежит у многих школные познания:
исходный сигнал
AM (амплитудная модуляция)
FM (частотная модуляция)
Цифровая модуляция и ее типы.
- ASK – Amplitude shift keying (Амплитудная двоичная модуляция).
- FSK – Frequency shift keying (Частотая двоичная модуляция).
- PSK – Phase shift keying (Фазовая двоичная модуляция).
- ASK/PSK.
- ASK хороша с точки зрения эффективности использования полосы частот, но подвержена искажениям при наличии шума и недостаточно эффективна с точки зрения потребляемой мощности.
- FSK – с точностью до наоборот, энергетически эффективна, но не эффективно использует полосу частот.
- PSK – хороша в обоих аспектах.
- ASK/PSK – комбинация двух схем. Она позволяет еще лучше использовать полосу частот.
Модуляция сигнала в сетях WiMax.
В WiMax используется «динамическая адаптивная модуляция», которая позволяет базовой станции делать выбор между пропускной способностью и максимальным расстоянием до приемника. Чтобы увеличить дальность, базовая станция может переключиться между 64-QAM, 16-QAM и QPSK.
Заключение.
Я надеюсь, что у меня получилось соблюсти баланс между популярностью изложения и техничностью содержания. Если данная статья окажется востребованной, я продолжу работать в этом направлении. Технология WiMax имеет множество нюансов, о которых можно рассказать.
Для начала разберемся, зачем вообще нужна модуляция и что она из себя представляет.
В рамках одного устройства для передачи информации используются низкочастотные колебания, передача которых на расстояние свыше нескольких метров крайне затруднительна, в силу их быстрого ослабевания. Но нам все равно хочется передавать сигналы на большие расстояния, вот тут на помощь приходит модуляция.Возьмем высокочастотное колебание. Само по себе оно не несет никакой информации. Его мы будем использовать в качестве основного компонента передаваемого сигнала. Частоту этого колебания называют несущей. Для того, чтобы начать передавать полезную информацию, нам нужно каким-нибудь образом видоизменить несущую частоту так, чтобы она повторяла закономерности сигнала, который мы хотим передать. Иными словами, нам нужно сделать так, чтобы она несла информацию о нашем полезном сигнале. Это самое видоизменение называется модуляцией. Модуляция осуществляется с помощью модулятора со стороны отправителя, а с помощью демодулятора на стороне получателя высокочастотный сигнал преобразуется обратно в низкочастотный. Они собраны в одно устройство под названием модем, которое получилось благодаря слиянию слов МОдулятор и ДЕМодулятор. Есть разные принципы модуляции, некоторые из которых рассмотрим ниже. Самым древним методом модуляции можно назвать прерывание несущей частоты, которое использовалось в телеграфах. Этот метод, конечно, нельзя назвать в полной мере модуляцией, но тем не менее о нем нельзя не упомянуть в данной теме.
Теперь рассмотрим более формальные определения.
| Фиксированный уровень | Гармонический сигнал | Импульсы |
|---|---|---|
| Прямая модуляция | Аналоговая модуляция | Импульсная модуляция |
| Цифровая модуляция |
Зададим нормальное напряжение [math]U_H[/math] , тогда при уменьшении нормального уровня напряжения на [math]\Delta U_M[/math] передается двоичный 0, а при увеличении на ту же величину двоичная 1.
Для кодирования нескольких одинаковых значений подряд зададим промежуток времени [math]\Delta t[/math] , в течение которого передается одна цифра.
В зависимости от того, какой параметр несущего колебания изменяется, различают 3 основных вида аналоговой модуляций:
- Амплитудная
- Фазовая
- Частотная
Тот самый вид модуляции, который используется для передачи данных в компьютерных сетях.
Цифровую модуляцию принято называть манипуляцией, поэтому часто может встречаться именно этот термин.
Носителем так же, как и в случае аналоговой модуляции является колебание.
- Амплитудная
- Частотная
- Фазовая
- Квадратурная амплитудная (амплитудно-фазовая)
Для разных видов манипуляции существуют методы, позволяющие передавать не только 0 и 1 в рамках одного сигнала, такие методы получили название многопозиционные. Суть этих методов в том, что один элемент линейного сигнала несет информацию о большем числе битов, чем в обычных двухпозиционных методах. Работает это очень просто. Например, в многопозиционной амплитудной манипуляции зададим не 2 амплитуды, которые будут кодировать 0 или 1, а 4, которые будут соответствовать 00, 01, 10, 11 по мере увеличения амплитуды. Для многопозиционной частотной манипуляции используется больше частот, а для многопозиционной фазовой манипуляции, соответственно, больше сдвигов. Да, это действительно позволяет повысить удельную скорость передачи информации, но при этом начинают возникать ошибки, связанные с погрешностью передачи.
Рассмотрим самые распространенные методы:
С простой квадратурной амплитудной манипуляцией мы уже знакомы, теперь посмотрим на 2 многопозиционные вариации. Напомню, что это комбинация амплитудной и фазовой манипуляций. QAM-16 использует 16 комбинаций амплитудных и фазовых сдвигов, которые позволяют передавать 4 бита информации за 1 сигнал, а с помощью QAM-64, который использует 64 комбинации, можно передать целых 6 бит за сигнал. Каждая комбинация задается углом, который соответствует фазе и расстоянием от начала координат, которое показывает величину амплитуды. Ниже показана симуляция принципа работы квадратурной амплитудной манипуляции на примере QAM-16 и расположение точек для QAM-16 и QAM-64 соответственно.
При импульсной модуляции носителем сигнала являются импульсы.Импульсная модуляция делится на 4 основных вида:
- Амплитудно-импульсная
- Широтно-импульсная
- Частотно-импульсная
- Фазово-импульсная
Сами по себе, схемы модуляции позволяют посылать только один сигнал, что достаточно плохо, учитывая количество пользователей сетями. Поэтому были разработаны схемы мультиплексирования, которые позволяют многим сигналам совместно использовать одни линии.
Частотное уплотнение использует передачу в полосе пропускания, чтобы совместно использовать канал. Спектр делится на диапазоны частот, каждый пользователь получает владение некоторой полосой, в которой он может послать свой сигнал. Наглядным примером частотного уплотнения служит AM-радиовещание. Его 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.
На рисунке приведен пример объединения трех телефонных линий в одну. Можно заметить, что каждой линии выделяется полоса в 4000 Гц, хотя она занимает примерно 3100 Гц. Избыток в 900 Гц называется защитной полосой. Она сохраняет каналы хорошо отделенными друг от друга.
При отправке цифровых данных возможно эффективно разделить спектр, не используя защитные полосы. В OFDM полоса канала разделена на многие поднесущие, которые независимо передают данные (например, с квадратурной амплитудной модуляцией). Поднесущие плотно упакованы вместе в частотной области, но из за того, что характеристика каждой поднесущей разработана так, чтобы в центре смежных поднесущих это был ноль, каждая из них может быть выбрана в своей центральной частоте без помех от соседних.
Альтернатива частотному уплотнению FDM - временнОе уплотнение TDM. В этом методе каждый пользователь получает в пользование всю полосу, но на небольшой отрезок времени. Чтобы все работало, потоки должны быть синхронизированы по времени. Чтобы компенсировать небольшие отклонения синхронизации, между блоками имеется небольшой промежуток времени, именуемый защитным интервалом.
Метод аналогичен предыдущему, только отдельные потоки поступают в мультиплексный поток не по фиксированному распорядку, а согласно статистике их запросов.
В кодовом разделении каналов, в отличии от FDM и TDM, для каждого узла выделяется весь спектр частот и всё время. CDM использует специальные коды для идентификации соединений. При таком способе разделения среды каналы трафика создаются посредством применения широкополосного кодо-модулированного радиосигнала — шумоподобного сигнала, передаваемого в общий для других аналогичных передатчиков канал в едином широком частотном диапазоне. Эфир в данном частотном диапазоне в результате работы нескольких передатчиков становится ещё более шумоподобным. Каждый передатчик модулирует сигнал с применением присвоенного в данный момент каждому пользователю отдельного числового кода, а приёмник, настроенный на аналогичный код, может вычленять из общей кучи радиосигналов ту часть сигнала, которая предназначена данному приёмнику.
Модуляцией называют процесс преобразования одной либо нескольких характеристик модулирующего высокочастотного колебания при воздействии управляющего низкочастотного сигнала. В итоге спектр управляющего сигнала перемещается в высокочастотную область, где передача высоких частот является более эффективной.
Модуляция выполняется с целью передачи информации посредством электромагнитного излучения. Передаваемые данные содержатся в управляющем сигнале. А функцию переносчика осуществляет высокочастотное колебание, именуемое несущим. В роли несущего колебания могут быть использованы колебания разнообразной формы: пилообразные, прямоугольные и др., но обычно используют гармонические синусоидальные.
Амплитудная модуляция
На вход модулирующего устройства передают модулирующий и опорный сигналы, в результате на выходе имеем смодулированный сигнал. Условием корректного преобразования считается удвоенное значение несущей частоты в сравнении с максимальным значением полосы модулирующего сигнала. Данный тип модуляции достаточно прост в исполнении, но отличается невысокой помехоустойчивостью.
Помехонеустойчивость возникает вследствие узкой полосы модулируемого сигнала. Ее используют в основном в средне- и низкочастотных интервалах электромагнитного спектра.
Частотная модуляция
В результате данного типа модуляции сигнал модулирует частоту опорного сигнала, а не мощность. Поэтому если величина сигнала увеличивается, то, соответственно, растет частота. Ввиду того, что полоса получаемого сигнала намного шире исходной величины сигнала.
Такая модуляция характеризуется высокой помехоустойчивостью, однако для ее применения следует использовать высокочастотный диапазон.
Фазовая модуляция
В процессе данного типа модуляции модулирующий сигнал использует фазу опорного сигнала. При данном типе модулирования получаемый сигнал имеет достаточно широкий спектр, потому что фаза оборачивается на 180 градусов.
Фазовая модуляция активно используется для формирования помехозащищенной связи в микроволновом диапазоне.
Импульсная модуляция
В качестве несущего сигнала могут использоваться незатухающие функции, шумы, последовательность импульсов и пр. Так, при импульсной модуляции в роли несущего сигнала используется последовательность узких импульсов, а в роли модулирующего сигнала выступает дискретный либо аналоговый сигнал. Так как последовательность импульсов характеризуется 4 характеристиками, то различают 4 типа модуляции:
Читайте также: