Сигнали для передачі інформації

Якщо розглядати сигнал як функцію часу, то він може бути або аналоговим, або цифровим. Аналоговим називається сигнал, інтенсивність якого в часі змінюється поступово. Інакше кажучи, у сигналі не буває пауз або розривів. Цифровим називається сигнал, інтенсивність якого протягом деякого періоду підтримується на постійному рівні, а потім також змінюється на постійну величину (це визначення ідеалізоване). На рис. 2.4 наведені приклади сигналів обох типів. Аналоговий сигнал може представляти мову, а цифровий - набір двійкових одиниць і нулів.

Найпростішим типом сигналу є періодичний сигнал, у якому деяка структура періодично повторюється в часі. На рис. 2.5 наведений приклад періодичного аналогового сигналу (синусоїда) і періодичного цифрового сигналу (прямокутний сигнал, або меандр). Математичне визначення: сигнал s(t) є періодичним тоді й тільки тоді, коли

де постійна T є періодом сигналу ( T-T- найменша величина, що задовольняє цьому рівнянню).

Фундаментальним аналоговим сигналом є синусоїда. У загальному випадку такий сигнал можна визначити трьома параметрами: максимальною амплітудою А, частотою фазою . Максимальною амплітудою називається максимальне значення або інтенсивність сигналу в часі; виміряється максимальна амплітуда, як правило, у вольтах. Частотою називається темп повторення сигналів (у періодах за секунду, або герцах). Еквівалентним параметром є період сигналу Т, що представляє собою час, за яке відбувається повторення сигналу; отже, . Фаза є мірою відносного зрушення за часом у межах окремого періоду сигналу (даний термін буде проілюстрований нижче).

Рис. 2.4. Аналоговий і цифровий сигнали

У загальному випадку синусоїдальний сигнал можна представити в наступному виді:

Існує співвідношення між двома синусоїдальними сигналами, один із яких змінюється в часі, а іншої - у просторі. Визначимо довжину хвилі сигналу як відстань, займана одним періодом або, іншими словами, як відстань між двома точками рівних фаз двох послідовних циклів. Припустимо, що сигнал поширюється зі швидкістю . Тоді довжина хвилі пов'язана з періодом наступним співвідношенням: , що рівносильно . Особливе значення для нашого викладу має випадок , де - швидкість світла у вакуумі, приблизно рівна .

Рис. 2.5. Періодичні сигнали

Застосувавши аналіз Фур'є, тобто склавши разом достатню кількість синусоїдальних сигналів з відповідними амплітудами, частотами й фазами, можна одержати електромагнітний сигнал будь-якої форми. Аналогічно, будь-який електромагнітний сигнал розглядається як сукупність періодичних аналогових (синусоїдальних) сигналів з різними амплітудами, частотами й фазами.

Спектром сигналу називається область частот, що становлять даний сигнал. Цифровий сигнал можна виразити в такий спосіб:

Цей сигнал містить нескінченне число частотних складових і, отже, має нескінченну ширину смуги. У загальному випадку будь-який цифровий сигнал має нескінченну ширину смуги. Якщо ми спробуємо передати цей сигнал через якесь середовище, що передає система накладе обмеження на ширину смуги, яку можна передати. Більше того, для кожного конкретного середовища справедливо наступне: чим більше передана смуга, тим більше вартість передачі. Тому, з одного боку, за економічними і практичними міркуваннями варто апроксимувати цифрову інформацію сигналом з обмеженою шириною смуги. З іншого боку, при обмеженні ширини смуги виникають перекручування, що утрудняють інтерпретацію прийнятого сигналу. Чим більше обмежена смуга, тим сильніше перекручування сигналу й тем більше потенційна можливість виникнення помилок при прийманні.

Передача даних

Визначимо дані як об'єкти, що передають зміст, або інформацію. Сигнали - це електромагнітне подання даних. Передача - процес переміщення даних шляхом поширення сигналів по середовищу передачі їхньої обробки.

Поняття "аналогові дані" і "цифрові дані" досить прості. Аналогові дані приймають безперервні значення з деякого діапазону. Наприклад, звукові сигнали й відеосигнали являють собою безупинно, що змінюються величини. Цифрові дані, навпроти, приймають тільки дискретні значення; приклади - текст і цілі числа.

У системі зв'язку інформація поширюється від однієї точки до іншої за допомогою електричних сигналів. Аналоговий сигнал являє собою електромагнітну хвилю, що безупинно змінюється, що може поширюватися через безліч середовищ, залежно від частоти; як приклади таких середовищ можна назвати проводові лінії, такі як кручена пара й коаксіальний кабель, оптоволокно; цей сигнал також може поширюватися через атмосферу або космічний простір. Цифровий сигнал являє собою послідовність імпульсів напруги, які можуть передаватися по проводовій лінії; при цьому постійний позитивний рівень напруги може використовуватися для подання двійкового нуля, а постійний негативний рівень - для подання двійкової одиниці. У безпроводовій технології використовуються цифрові дані й аналогові сигнали, тому що цифрові сигнали загасають сильніше, ніж аналогові.

Мова являє собою звукові хвилі й містить частотні складові в області 20 Гц - 20 кГц. Однак більша частина енергії мови перебуває в набагато більше вузькому діапазоні. Стандартний спектр мовних сигналів - 300-3400 Гц, і цього діапазону цілком вистачає для розбірливої й чіткої передачі мови. Саме такий діапазон обробляє телефонний апарат. Всі вступники звукові коливання в діапазоні 300-3400 Гц перетворяться в електромагнітний сигнал з подібними амплітудами й частотами. В іншому апараті виконується зворотний процес: електромагнітна енергія перетвориться у звук.

Цифрові дані можна представити аналоговими сигналами, застосувавши із цією метою модем (модулятор/демодулятор). Модем або безпроводовий адаптер перетворить послідовність двійкових (приймаючих два значення) імпульсів напруги в аналоговий сигнал, модулюючи їхньою несучою частотою. Сигнал, що вийшов у результаті, займає певний спектр частот із центром на несучій частоті й може поширюватися в навколишнє середовище. На іншому кінці лінії інший модем або безпроводовий адаптер демодулює сигнал і відновлює вихідні дані.

Модуляція сигналів

Історично модуляція початку застосовуватися для аналогової інформації, і тільки потім - для дискретної. Необхідність у модуляції аналогової інформації виникає, коли потрібно передати низькочастотний (наприклад, голосовий) аналоговий сигнал через канал, що перебуває у високочастотній області спектра. Для рішення цієї проблеми амплітуду високочастотного несучого сигналу змінюють (модулюють) відповідно до зміни низькочастотного сигналу.

У безпроводовій технології в процесі модулювання задіяні одна або кілька характеристик несучого сигналу: амплітуда, частота й фаза. Відповідно, існують три основні технології кодування або модуляції, що виконують перетворення цифрових даних в аналоговий сигнал (рис. 2.6):

· амплітудна модуляція ( Amplitude-Shift Keying - ASK);

· частотна модуляція ( Frequency-Shift Keying - FSK);

· фазова модуляція ( Phase-Shift Keying - PSK).

Відзначимо, що у всіх перерахованих випадках результуючий сигнал центрований на несучій частоті.

Амплітудна модуляція

При амплітудній модуляції два двійкових значення представляються сигналами несучої частоти із двома різними амплітудами. Одна з амплітуд, як правило, вибирається рівної нулю; тобто одне двійкове число представляється наявністю несучої частоти при постійній амплітуді, а інше - її відсутністю (рис. 2.6а).

При амплітудній модуляції результуючий сигнал дорівнює:

(2.1)

Тут - несучий сигнал.

Рис. 1.5. Модуляція цифрових даних аналоговими сигналами

Частотна модуляція

Найпоширенішою формою частотної модуляції є (Binary FSK - BFSK), у якій два двійкових числа представляються сигналами двох різних частот, розташованих біля несучої (рис. 2.6б). Результуючий сигнал дорівнює

(2.2)

де й - частоти, зміщені від несучої частоти на величини, рівні за модулем, але протилежні за знаком.

Бінарна частотна модуляція менш сприйнятлива до помилок, ніж амплітудна модуляція.

Більш ефективної, але й більш підданої помилкам, є схема багаточастотної модуляції (Multiple FSK - MFSK), у якій використовується більше двох частот. У цьому випадку кожна сигнальна посилка представляє більше одного біта. Переданий сигнал MFSK (для одного періоду передачі сигнальної посилки) можна визначити в такий спосіб:

(2.3)

Тут

де - несуча частота; - різницева частота; - число різних сигнальних посилок ; - кількість біт на одну сигнальну посилку.

На рис. 2.7 представлений приклад схеми MFSK с М=4. Вхідний потік біт кодується по два біта, після чого передається одна із чотирьох можливих двобітових комбінацій.

Для зменшення займаної смуги частот у модуляторах сигналів з фазовою модуляцією застосовують фільтри, що згладжують. Застосування фільтрів, що згладжують, приводить до збільшення ефективності використання смуги, але в той же час через згладжування зменшується відстань між сусідніми сигналами, що приводить до зниження перешкодостійкості.

Рис. 2.7 Використання частоти схемою MFSK (M = 4)

Фазова модуляція

При фазовій модуляції для подання даних виконується зсув несучого сигналу.

Найпростішою фазовою модуляцією є дворівнева модуляція (Binary PSK, BPSK), де для подання двох двійкових цифр використовуються дві фази (рис. 2.6в). Сигнал, що виходить, має такий вигляд (для одного періоду передачі біта):

(2.4)

Альтернативною формою дворівневої PSK є диференціальна PSK (DPSK), приклад якої наведений на рис. 2.8. У даній системі двійковий 0 представляється сигнальним пакетом, фаза якого збігається з фазою попереднього посланого пакета, а двійкова 1 представляється сигнальним пакетом з фазою, протилежній фазі попереднього пакета. Така схема називається диференціальної, оскільки зрушення фаз виконується щодо попереднього переданого біта, а не щодо якогось еталонного сигналу. При диференціальному кодуванні передана інформація представляється не сигнальними посилками, а змінами між послідовними сигнальними посилками. Схема DPSK робить зайвим строге узгодження фази місцевого гетеродина приймача й передавача. Доти поки попередня отримана фаза точна, точний і фазовий еталон.

Рис. 2.8. Диференціальна фазова модуляція (DPSK

)

Якщо кожною сигнальною посилкою представити більше одного біта, це дозволить ефективніше використовувати смугу сигналу. Наприклад, у розповсюдженому кодуванні, відомої як квадратурна фазова модуляція (Quadrature Phase-Shift Keying - QPSK), замість зрушення фази на , як у кодуванні BPSK, використовуються зрушення фаз, кратні .

При квадратурній фазовій модуляції:

(2.5)

Таким чином, кожна сигнальна посилка представляє не один біт, а два. Описану схему можна розширити: передавати, наприклад, по три біта в кожний момент часу, використовуючи для цього вісім різних кутів зрушення фаз. Більше того, при кожному куті можна використовувати кілька амплітуд. Така модуляція називається багаторівневою фазовою модуляцією (Multiple FSK - MFSK).

Квадратурна амплітудна модуляція

Квадратурна амплітудна модуляція (Quadrature Amplitude Modulation - QAM) є популярним методом аналогової передачі сигналів, використовуваним у деяких безпроводових стандартах.

Дана схема модуляції сполучає в собі амплітудну й фазову модуляції. У методі QAM використані переваги одночасної передачі двох різних сигналів на одній несучій частоті, але при цьому задіяні дві копії несучої частоти, зрушені відносно один одного на 90°. При квадратурній амплітудній модуляції обидві несучі є амплітудно-модульованими. Отже, два незалежних сигнали одночасно передаються через одне середовище. У приймачі ці сигнали демодулюються, а результати поєднуються з метою відновлення вихідного двійкового сигналу.

При використанні дворівневої амплітудної модуляції (2QAM) кожний із двох потоків може перебувати в одному із двох станів, а об'єднаний потік - в одному зі станів. При використанні 4-рівневої модуляції (тобто чотирьох різних рівнів амплітуди, 4QAM) об'єднаний потік буде перебувати в одному зі станів. Уже реалізовані системи, що мають 64 або навіть 256 станів. Чим більше число станів, тим вище швидкість передачі даних, можлива при певній ширині смуги. Зрозуміло, як вказувалося раніше, чим більше число станів, тим вище потенційна частота виникнення помилок внаслідок перешкод або поглинання.

Поиск по сайту: