какая модуляция используется при передаче дискретных сигналов

Методы модуляции дискретных данных

Процесс представления дискретных (цифровых) данных в виде непрерывного высокочастотного синусоидального сигнала (несущей) по своей сути является аналоговой модуляцией дискретных данных. Однако, для того чтобы его отличать от аналоговой модуляции непрерывных данных, такое преобразование часто называют манипуляцией.

Манипуляция применяется для передачи дискретных данных (сигналов) в виде непрерывных сигналов по каналам с узкой полосой частот, например по телефонным каналам, имеющим ограниченную полосу пропускания в 3100 Гц, и реализуется с помощью модемов.

Компьютерные данные – двоичные «1» и «0» – обычно изображаются в виде потенциалов соответственно высокого и низкого уровней (рис.12,а). Такой метод представления двоичных данных является наиболее естественным и простым и называется потенциальным кодированием.

Время, затрачиваемое на передачу одного бита («1» или «0»),

называется битовым интервалом. Длительность t_b битового интервала связана с пропускной способностью канала связи C (скоростью передачи) зависимостью: t_b=1/C

При потенциальном кодировании скорость модуляции B численно совпадает с пропускной способностью канала: B [бод]= C [бит/с].

Например, для канала связи с пропускной способностью=10 Мбит/с длительность битового интервала = 100 нс, а скорость модуляции =10 Мбод.

Для передачи двоичных данных могут использоваться следующие методы манипуляции:

· амплитудная манипуляция (Amplitude Shift Keying, ASK): для представления «1» и «0» используются разные уровни амплитуды высокочастотной несущей (рис.12,б); из-за низкой помехоустойчивости этот метод обычно применяется в сочетании с другими методами, например с фазовой манипуляцией;

· частотная манипуляция(Frequency Shift Keying, FSK): значения «0» и«1» передаются синусоидами с различной частотой(рис.12,в); этот метод прост в реализации и обычно применяется в низкоскоростных модемах;

· фазовая манипуляция(Phase Shift Keying, PSK): значениям«0» и «1» соответствуют синусоиды одинаковой частоты и с одинаковой амплитудой, но с различной фазой, например0 и 180 градусов(рис.12,г).

На практике обычно используются комбинированные методы модуляции, обеспечивающие более высокие скорости передачи и лучшую помехозащищённость.

Цифровое кодирование

При цифровом кодировании дискретных данных применяются потенциальные и импульсные коды. В потенциальных кодах для представления двоичных единиц и нулей используется разные значения потенциала сигнала, а в импульсных кодах – импульсы разной полярности или же перепады потенциала в разном направлении.

Особенности передачи цифровых сигналов

Для того чтобы разобраться в проблемах, возникающих при передаче цифровых данных на большие расстояния, рассмотрим, каким изменениям подвержен сигнал в процессе передачи по каналу связи.

В простейшем случае двоичные данные могут быть представлены в виде синусоидального сигнала, в котором положительная часть синусоиды соответствует двоичной «1»,а отрицательная – «0» (рис.13,а). Частота такого сигнала определяется величиной битового интервала t_b:f₀=1/2t_b, связанного с пропускной способностью канала С зависимостью t_b=1/C, откуда: f₀=C/2.

Передача сигнала на большие расстояния связана со следующими особенностями.

Как известно, сигнал в процессе передачи по каналу связи затухает, его мощность в точке приёма оказывается значительно меньше мощности исходного информативного сигнала (рис.13,б).

Если мощность информативного сигнала в точке приёма меньше ∆y, то он будет не различим и, следовательно, потерян. Очевидно, что на приёмной стороне наибольшую мощность синусоидальный сигнал сохраняет в центре битового интервала. Следовательно, для того чтобы с уверенностью распознать его значение, желательно снимать отсчёт в центре битового интервала. Для этого в передающем и принимающем узле необходимо иметь высокоточные часы (таймеры), с помощью которых определяются: в передатчике – моменты формирования сигналов, в приёмнике– моменты снятия значения информативного сигнала в центре битового интервала.

Очевидно, что для качественного распознавания сигналов на приёмной стороне, необходимо, чтобы часы передатчика и приёмника работали синхронно. Однако известно, что все часы имеют некоторую погрешность, которая с течением времени приводит к различию в показаниях двух разных часов, находящихся в узле-передатчике и узле-приёмнике, причём это различие со временем растёт. Всё это может привести к тому, что на приёмной стороне некоторые биты могут быть не считаны (пропущены), либо значения некоторых битов будут считаны дважды.

Для того чтобы не возникали такие ситуации, необходимо поддерживать синхронизацию часов передатчика и приёмника. В компьютерах при обмене цифровыми данными между устройствами эта проблема решается путём использования дополнительного специального канала, по которому передаются тактовые импульсы, определяющие моменты времени, в которые должна сниматься информация. Однако такое решение не приемлемо при передаче информации на большие расстояния ввиду высокой стоимости дополнительного «тактового» канала, а также неодинаковой скорости распространения информативного сигнала и тактовых импульсов из-за неоднородности среды передачи. Последнее может привести к тому, что тактовый импульс придет позже или раньше соответствующего сигнала, в результате чего бит данных будет пропущен или считан повторно. Для решения проблемы синхронизации в компьютерных сетях применяются специальные методы кодирования, позволяющие выполнять синхронизацию часов приёмника и передатчика автоматически. Такие коды называются самосинхронизирующимися.

Заметим, что рассмотренная ситуация в действительности оказывается более сложной, поскольку шумы влияют не только на устанавливаемый уровень чувствительности приёмника, но и искажают форму информативного сигнала. Кроме того, канал связи подвержен влиянию различного рода помех, также искажающих сигнал. Поэтому реальный сигнал в точке приёма оказывается мало похожим на исходный синусоидальный сигнал (рис.13,в). Это может привести к тому, что даже при абсолютно точной синхронизации передатчика и приёмника значение сигнала либо пропадёт, если его уровень окажется меньше ∆y (рис.13,в), либо будет считано неверное значение(рис. 13,г).

Для того чтобы не возникало таких ситуаций, желательно приблизить форму передаваемого информативного сигнала к исходному прямоугольному виду.s

Источник

УРОК “Модуляция при передаче аналоговых и дискретных сигналов в компьютерных сетях” компьютерных сетей”

Ищем педагогов в команду «Инфоурок»

Дисциплина: ТЕХНОЛОГИИ ФИЗИЧЕСКОГО УРОВНЯ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

Модуляция при передаче аналоговых и дискретных сигналов в компьютерных сетях.

1. Сигналы в проводных средах.

2. Модуляция при передаче аналоговых сигналов

3. Модуляция при передаче дискретных сигналов

4. Комбинированные методы модуляции

Сигналы в проводных средах.

Проводные среды, которые мы рассмотрели ранее, предоставляют только

потенциальную возможность передачи дискретной информации. Для того чтобы

передатчик и приемник, соединенные некоторой средой, могли обмениваться

информацией, им необходимо договориться о том, какие сигналы будут соответствовать

двоичным единицам и нулям дискретной информации.

Для представления дискретной информации в среде передачи данных применяются

сигналы двух типов: прямоугольные импульсы и синусоидальные волны. В первом случае

используют термин «кодирование», во втором — «модуляция».

Существует множество способов кодирования, которые отличаются шириной

спектра сигнала при одной и той же скорости передачи данных. Для передачи данных с

минимальным числом ошибок полоса пропускания канала должна быть шире, чем спектр

сигнала — иначе выбранные для представления единиц и нулей сигналы значительно

исказятся, и приемник не сможет правильно распознать переданную информацию.

Поэтому спектр сигнала является одним из главных критериев оценки эффективности

Кроме того, способ кодирования должен способствовать синхронизации приемника

с передатчиком, а также обеспечивать приемлемое соотношение мощности сигнала к

шуму. Эти требования являются взаимно противоречивыми, поэтому каждый

применяемый на практике способ кодирования представляет собой компромисс между

Битовые ошибки в каналах связи нельзя исключить полностью, даже если

выбранный код обеспечивает хорошую степень синхронизации и высокий уровень

отношения сигнала к шуму. Поэтому при передаче дискретной информации применяются

специальные коды, которые позволяют обнаруживать (а иногда исправлять) битовые

Модуляция при передаче аналоговых сигналов

Исторически модуляция начала применяться для аналоговой информации и только

потом для дискретной.

Необходимость в модуляции аналоговой информации возникает, когда нужно

передать низкочастотный аналоговый сигнал через канал, находящийся в

высокочастотной области спектра. Примерами такой ситуация является передача голоса

по радио или телевидению.

Голос имеет спектр шириной примерно в 10 кГц, а радиодиапазоны включают

гораздо более высокие частоты, от 30 кГц до 300 мГц. Еще более высокие частоты

используются в телевидении. Очевидно, что непосредственно голос через такую среду

Для решения проблемы амплитуду высокочастотного несущего сигнала изменяют

(модулируют) в соответствии с изменением низкочастотного голосового сигнала.

При этом спектр результирующего сигнала попадает в нужный высокочастотный

Такой тип модуляции называется амплитудной модуляцией (Amplitude

В качестве информационного параметра используют не только амплитуду

несущего синусоидального сигнала, но частоту. В этих случаях мы имеем дело с

частотной модуляцией (Frequency Modulation, FM).

Модуляция при передаче дискретных сигналов

При передаче дискретной информации посредством модуляции единицы и нули

кодируются изменением амплитуды, частоты или фазы несущего синусоидального

сигнала. В случае, когда модулированные сигналы передают дискретную информацию,

вместо термина «модуляция» иногда используется термин «манипуляция»: амплитудная

манипуляция (Amplitude Shift Keying, ASK), частотная манипуляция (Frequency Shift

Keying, FSK), фазовая манипуляция (Phase Shift Keying, PSK).

Пожалуй, самый известный пример применения модуляции при передаче

дискретной информации — это передача компьютерных данных по телефонным каналам.

Типичная амплитудно-частотная характеристика стандартного абонентского канала,

называемого также каналом тональной частоты. Этот составной канал проходит через коммутаторы телефонной сети и соединяет телефоны абонентов.

Канал тональной частоты передает частоты в диапазоне от 300 до 3400 Гц, таким образом,

его полоса пропускания равна 3100 Гц. Такая узкая полоса пропускания вполне

достаточна для качественной передачи голоса, однако она недостаточно широка для

передачи компьютерных данных в виде прямоугольных импульсов.

Решение проблемы было найдено благодаря аналоговой модуляции. Устройство, которое выполняет функцию модуляции несущей синусоиды на передающей стороне и обратную функцию демодуляции на приемной стороне, носит название модема (модулятор-демодулятор).

Исходная последовательность битов передаваемой информации приведена на диаграмме:

При амплитудной модуляции 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 —

При частотной модуляции значения нуля и единицы исходных данных передаются

синусоидами с различной частотой — f0 и f1

Этот способ модуляции не требует сложных схем и обычно применяется в низкоскоростных модемах, работающих на скоростях 300 и 1200 бит/с. При использовании только двух частот за один такт передается один бит информации, поэтому такой способ называется двоичной частотной манипуляцией (Binary FSK, BFSK).

Могут также использоваться четыре различные частоты для кодирования двух битов информации в одном такте, такой способ носит название четырехуровневой частотной манипуляции (four-level FSK). Применяется также название многоуровневая частотная манипуляция (Multilevel FSK, MFSK):

При фазовой модуляции значениям данных 0 и 1 соответствуют сигналы

В первом случае такая модуляция носит название двоичной фазовой манипуляции

(Binary PSK, BPSK), а во втором — квадратурной фазовой манипуляции:

Комбинированные методы модуляции

Для повышения скорости передачи данных прибегают к комбинированным

методам модуляции. Наиболее распространенными являются методы квадратурной

амплитудной модуляции (Quadrature Amplitude Modulation, QAM). Эти методы основаны

на сочетании фазовой и амплитудной модуляции. Это повышает помехоустойчивость кода, но вдвое снижает скорость передачи данных.

Другим решением, повышающим надежность кода за счет введения избыточности, являются так называемые решетчатые коды. В этих кодах к каждым четырем битам информации добавляется пятый бит, который даже при наличии ошибок позволяет с большой степенью вероятности определить правильный набор четырех информационных битов.

Спектр результирующего модулированного сигнала зависит от типа модуляции и

скорости модуляции, то есть желаемой скорости передачи битов исходной информации.

При фазовой и частотной модуляции спектр сигнала получается более сложным,

чем при амплитудной модуляции, так как боковых гармоник здесь образуется более двух,

но они тоже симметрично расположены относительно основной несущей частоты, а их

амплитуды быстро убывают.

1. Что называется амплитудной модуляцией?

2. Какой тип информации передается с помощью амплитудной модуляции?

3. Почему амплитудная модуляция не применяется в широкополосных каналах?

4. Охарактеризуйте модуляцию при передаче дискретной информации.

5. Для чего прибегают к комбинированным методам модуляции?

Если Вы считаете, что материал нарушает авторские права либо по каким-то другим причинам должен быть удален с сайта, Вы можете оставить жалобу на материал.

Источник

Модуляция при передаче дискретных сигналов

При передаче дискретной информации посредством модуляции единицы и нули кодируются изменением амплитуды, частоты или фазы несущего синусоидального сигнала. В случае, когда модулированные сигналы передают дискретную информацию, вместо термина «модуляция» иногда используется термин «манипуляция» (амплитудная манипуляция (Amplitude Shift Keying, ASK), частотная манипуляция (Frequency Shift Keying, FSK), фазовая манипуляция (Phase Shift. Keying, PSK)).

Самый известный пример применения модуляции при передаче дискретной информации — это передача компьютерных данных по телефонным каналам. Типичная амплитудно-частотная характеристика стандартного абонентского канала, называется также каналом тональной частоты. Этот составной канал проходит через коммутаторы телефонной сети и соединяет телефоны абонентов. Канал тональной частоты передает частоты в диапазоне от 300 до 3400 Гц, таким образом, его полоса пропускания равна 3100 Гц. Такая узкая полоса пропускания вполне достаточна для качественной передачи голоса, однако она недостаточно широка для передачи ком­пьютерных данных в виде прямоугольных импульсов. Решение проблемы было найдено благодаря аналоговой модуляции. Устройство, которое выполняет функцию модуляции несущей синусоиды на передающей стороне и обратную функцию демодуляции на при­емной стороне, носит название модема (модулятор-демодулятор).

Рис. Амплитудно-частотная характеристика канала тональной частоты

На рисунке показаны различные типы модуляции, применяемые при передаче дискретной информации. Исходная последовательность битов передаваемой информации приведена на диаграмме, представленной на рис. а.

При частотной модуляции значения нуля и единицы исходных данных передаются синусо­идами с различной частотой — f₁ и f₂ (рис. в). Этот способ модуляции не требует слож­ных схем и обычно применяется в низкоскоростных модемах, работающих на скоростях 300 и 1200 бит/с. При использовании только двух частот за один такт передается один бит информации, поэтому такой способ называется двоичной частотной манипуляцией (Binary FSK, BFSK). Могут также использоваться четыре различные частоты для кодировании двух битов информации в одном такте, такой способ носит название четырехуровневой частотной манипуляции (four-level FSK). Применяется также название многоуровневая частотная манипуляция (Multilevel FSK, MFSK).

При фазовой модуляции значениям данных 0 и 1 соответствуют сигналы одинаковой частоты, но различной фазы, например 0 и 180° или 0,90,180 и 270° (рис. г). В первой случае такая модуляция носит название двоичной фазовой манипуляции (Binary PSK BPSK), а во втором — квадратурной фазовой манипуляции (Quadrature PSK, QPSK).

Рис. Различные типы модуляции

Дискретизация аналоговых сигналов

Начиная с 60-х годов прошлого века голос начал передаваться по телефонным сетям в цифровой форме, то есть в виде последовательности единиц и нулей. Основной причиной такого перехода является невозможность улучшения качества данных, переданных в аналоговой форме, если они существенно исказились при передаче. Сам аналоговый сигнал не дает никаких указаний ни на то, что произошло искажение, ни на то, как его исправить, поскольку форма сигнала может быть любой, в том числе и такой, которую зафиксировал приемник. Улучшение же качества линий, особенно территориальных, требует огромных усилий и капиталовложений. Поэтому на смену ана­логовой технике записи и передачи звука и изображений пришла цифровая техника. В этой технике используется так называемая дискретная модуляция исходных непрерывных во времени аналоговых процессов.

Амплитуда исходной непрерывной функции измеряется с заданным периодом — за счет этого происходит дискретизация по времени.

Затем каждый замер представляется в виде двоичного числа определенной разрядности, что означает дискретизацию по значениям — непрерывное множество возможных значений амплитуды заменяется дискретным множеством ее значений.

Устройство, которое выполняет подобную функцию, называется аналого-цифровым пре­образователем (АЦП). После этого замеры передаются по линиям связи в виде последовательности единиц и нулей. При этом применяются те же методы кодирования, что и при передаче изначально дискретной информации.

На приемной стороне линии коды преобразуются в исходную последовательность битов, а специальная аппаратура, называемая цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП), производит демодуляцию оцифрованных амплитуд, восстанавливая исходную непрерывную функцию времени.

Дискретная модуляция основана на теории отображения Найквиста, В соответствии с этой теорией, аналоговая непрерывная функция, переданная в виде последовательности ее дискретных по времени значений, может быть точно восстановлена, если частота дис­кретизации была в два или более раз выше, чем частота самой высокой гармоники спектра исходной функции.

Если это условие не соблюдается, то восстановленная функция будет существенно отличаться от исходной.

Преимуществом цифровых методов записи, воспроизведения и передачи аналоговой информации является возможность контроля достоверности считанных с носителя или полученных по линии связи данных. Для этого можно применять те же методы, что и в случае компьютерных данных, — вычисление контрольной суммы, повторная передача искаженных кадров, применение самокорректирующихся кодов.

Для представления голоса в цифровой форме используются различные методы его дискре­тизации. Один из простых методов имеет название импульсно-кодовой модуляции (Pulse Code Modulation, PCM).

При использовании метода РСМ для передачи одного голосового канала необходима пропускная способность 56 или 64 Кбит/с в зависимости от того, каким количеством битов представляется каждый замер. Если для этих целей применяется 7 бит, то при частоте передачи замеров в 8000 Гц получаем:

А для случая 8 бит:

Стандартным является цифровой канал 64 Кбит/с, который также называется элементарным каналом цифровых телефонных сетей; канал 56 Кбит/с применялся в ранних этапах существования цифровой телефонии, когда один бит из байта, отведенного для передачи данных, изымался для передачи номера вызываемого абонента.

Передача непрерывного сигнала в дискретном виде требует от сетей жесткого соблюдения временного интервала в 125 мкс (соответствующего частоте дискретизации 8000 Гц) между соседними замерами, то есть требует синхронной передачи данных между узлами сети.

При отсутствии синхронности прибывающих замеров исходный сигнал восстанавливается неверно, что приводит к искажению голоса, изображения или другой мультимедийной информации, передаваемой по цифровым сетям. Так, искажение синхронизации в 10 мс может привести к эффекту «эха», а сдвиги между замерами в 200 мс приводят к невозмож­ности распознавания произносимых слов.

В то же время потеря одного замера при соблюдении синхронности между остальными замерами практически не сказывается на воспроизводимом звуке. Это происходит за счет сглаживающих устройств в цифро-аналоговых преобразователях, работа которых основана на свойстве инерционности любого физического сигнала — амплитуда звуковых колебаний не может мгновенно измениться на большую величину.

На качество сигнала после ЦАП влияет не только синхронность поступления на его вход замеров, но и погрешность дискретизации амплитуд этих замеров. В теореме Найквиста— Котельникова предполагается, что амплитуды функции измеряются точно, в то же время использование для их хранения двоичных чисел с ограниченной разрядностью несколько искажает эти амплитуды. Соответственно искажается восстановленный непрерывный сигнал — этот эффект называют шумом дискретизации (по амплитуде).

Источник

Модуляция при передаче дискретных сигналов

При передаче дискретной информации посредством модуляции единицы и нули кодируются изменением амплитуды, частоты или фазы несущего синусоидаль­ного сигнала. В случае когда модулированные сигналы передают дискретную информацию, вместо термина «модуляция» иногда используется термин «мани­пуляция»: амплитудная манипуляция (Amplitude Shift Keying, ASK), частотная манипуляция (Frequency Shift Keying, FSK), фазовая манипуляция (Phase Shift Keying, PSK).

Пожалуй, самый известный пример применения модуляции при передаче дис­кретной информации — это передача компьютерных данных по телефонным ка­налам. Типичная амплитудно-частотная характеристика стандартного абонент­ского канала, называемого также каналом тональной частоты, представлена на рис. 9.2. Этот составной канал проходит через коммутаторы телефонной сети и соединяет телефоны абонентов. Канал тональной частоты передает частоты в диапазоне от 300 до 3400 Гц, таким образом, его полоса пропускания равна 3100 Гц. Такая узкая полоса пропускания вполне достаточна для качественной передачи голоса, однако она недостаточно широка для передачи компьютерных данных в виде прямоугольных импульсов. Решение проблемы было найдено благодаря аналоговой модуляции. Устройство, которое выполняет функцию мо­дуляции несущей синусоиды на передающей стороне и обратную функцию демо­дуляции на приемной стороне, носит название модем (модулятор-демодулятор).

Рис. 9.2. Амплитудно-частотная характеристика канала тональной частоты

На рис. 9.3 показаны различные типы модуляции, применяемые при передаче дискретной информации. Исходная последовательность битов передаваемой информации приведена на диаграмме, представленной на рис. 9.3, а.

При амплитудной модуляции для логической единицы выбирается один уро­вень амплитуды синусоиды несущей частоты, а для логического нуля — другой (рис. 9.3, б). Этот способ редко используется в чистом виде на практике из-за низкой помехоустойчивости, но часто применяется в сочетании с другим видом модуляции — фазовой модуляцией.

Рис. 9.3. Различные типы модуляции

При частотной модуляции значения нуля и единицы исходных данных переда­ются синусоидами с различной частотой — f₀ и f_х (рис. 9.3, в). Этот способ моду­ляции не требует сложных схем и обычно применяется в низкоскоростных моде­мах, работающих на скоростях 300 и 1200 бит/с. При использовании только двух частот за один такт передается один бит информации, поэтому такой способ на­зывается двоичной частотной манипуляцией (Binary FSK, BFSK). Может также использоваться четыре различных частоты для кодирования двух битов инфор­мации в одном такте, такой способ носит название четырехуровневой частотной манипуляции (four-level FSK). Применяется также название многоуровневая частотная манипуляция (Multilevel FSK, MFSK).

При фазовой модуляции значениям данных 0 и 1 соответствуют сигналы оди­наковой частоты, но различной фазы, например 0 и 180° или 0, 90, 180 и 270° (рис. 9.3, г). В первом случае такая модуляция носит название двоичной фазо­вой манипуляции (Binary PSK, BPSK), а во втором — квадратурной фазовой манипуляции (Quadrature PSK, QPSK).

Источник