кодирование и модуляция информации в системах связи

Кодирование и модуляция информации в системах связи

1.4. Кодирование и модуляция

Простейшим примером дискретного сообщения является текст. Любой текст состоит из конечного числа элементов: букв, цифр, знаков препинания. Их совокупность называется алфавитом источника сообщения. Так как число элементов в алфавите конечно, то их можно пронумеровать и тем самым свести передачу сообщения к передаче последовательности чисел.

В десятичной системе основанием счисления является число 10. Поэтому любое целое число N можно представить в виде

коэффициенты, принимающие значения от 0 до m-1. Задаваясь величиной m, можно построить любую систему счисления.

По помехоустойчивости коды делят на простые (примитивные) и корректирующие. Коды, у которых все возможные кодовые комбинации используются для передачи информации, называются простыми, или кодами без избыточности. В простых равномерных кодах превращение одного символа комбинации в другой, например 1 в 0 или 0 в 1, приводит к появлению новой комбинации, т. е. к ошибке. Корректирующие коды строятся так, что для передачи сообщения используются не все кодовые комбинации, а лишь некоторая часть их. Тем самым создается возможность обнаружения и исправления ошибки при неправильном воспроизведении некоторого числа символов. Корректирующие свойства кодов достигаются введением в кодовые комбинации дополнительных (избыточных) символов (см. гл. 5).

Рис. 1.5. Структурная схема системы передачи дискретных сообщений

Рис. 1.6. Процесс преобразования дискретного сообщения в сигнал и обратного преобразования сигнала в сообщение

При передаче непрерывного сообщения а его сначала преобразуют в первичный электрический сигнал b(t), а затем, как правило, с помощью модулятора формируют сигнал u(t), который и посылают в линию связи. Принятое колебание z(t) подвергается обратным преобразованиям, в результате которых выделяется первичный сигнал b̂(t). По нему затем восстанавливается с той или иной точностью сообщения â.

Общий принцип модуляции состоит в изменении одного или нескольких параметров несущего колебания (переносчика) f(а, b. t) в соответствии с передаваемым сообщением. Так, например, если в качестве переносчика выбрано гармоническое колебание f(t) = u₀ cos(ω₀t + φ), то можно образовать три вида модуляции: амплитудную (AM), частотную (ЧМ) и фазовую (ФМ).

Если переносчиком является периодическая последовательность импульсов

то при заданной форме импульсов f₀(t) можно образовать четыре основных вида импульсной модуляции: амплитудно-импульсную (АИМ), широтно- импульсную (ШИМ), время-импульсную (ФИМ) и частотно-импульсную (ЧИМ). Применение радиоимпульсов позволяет получить еще два вида модуляции: по частоте и по фазе высокочастотного заполнения.

При дискретной модуляции закодированное сообщение a, представляющее собой последовательность кодовых символов i>, преобразуется в последовательность элементов (посылок) сигнала i> путем воздействия кодовых символов на переносчик f(t). Посредством модуляции один из параметров переносчика изменяется по закону, определяемому кодом. При непосредственной передаче переносчиком может быть постоянный ток, изменяющимися параметрами которого являются величина и направление тока. Обычно в качестве переносчика как и в непрерывной модуляции, используют переменный ток (гармоническое колебание)’. В этом случае можно получить AM, ЧМ и ФМ.

При ОФМ передача начинается с посылки одного не несущего информации элемента, который служит опорным сигналом для сравнения фазы последующего элемента. Подробнее о приеме таких сигналов и о преимуществах относительного метода модуляции будет сказано в гл. 6.

Рис. 1.7. Сигналы при различных видах дискретной модуляции

Источник

Кодирование и модуляция

Кодированием и модуляцией достигается согласование источника сообщений с каналом связи.

Рассмотрим источник дискретного сообщения. Пусть сообщение выражено при помощи некоторых символов, например букв печатного текста. Если далее эти буквы преобразуются в другие символы или последовательности из них по заранее установленному и известному при передаче и приеме правилу, причем преобразование является взаимно однозначным, то говорят, что сообщение дискретного источника кодируется.

Набор символов (букв), который определяет последовательность символов па выходе дискретного источника, называется алфавитом. Число символов в алфавите называется объемом алфавита. Последовательность символов на выходе источника называется кодовой последовательностью.

В этом случае, например, дискретной последовательности я_1; я₃, а₄ соответствует кодовая последовательность 001011.

Отрезок кодовой последовательности (комбинации) называется блоком. Число символов (элементов) в блоке называется значно- стью или длиной блока.

Блок, выделенный по определенному признаку и рассматриваемый как одно целое, называется словом. Словом, например, является кодовая последовательность (комбинация). Совокупность (множество) всех кодовых комбинаций, возможных при заданном правиле кодирования, образует код.

Кодирование источника непрерывных сообщений не отличается от кодирования дискретного, если непрерывное сообщение преобразуется в дискретное. Это преобразование включает дискретизацию, при которой непрерывное во времени сообщение преобразуется в последовательность отсчетов. Далее каждый отсчет сравнивается с заранее заданными уровнями квантования. Ближайший к отсчету уровень переводится в число. Набору квантованных уровней соответствует набор символов (букв), а объем алфавита равен числу квантованных уровней.

В современных системах связи широко применяется двоичная система счисления с основанием т = 2. Коэффициенты 6_г принимают значения 0 и 1 и могут передаваться отрезками колебаний различных частот, отрезками колебаний с отличающимися начальными фазами или постоянным током с разной амплитудой или полярностью. Это обеспечивает простоту аппаратуры.

Блоки системы связи, в которых осуществляется кодирование, называются кодерами.

Коды, у которых все кодовые комбинации имеют одинаковую длину, называются равномерными. Неравномерные коды содержат кодовые комбинации неравной длины.

Одной из задач кодирования является задача согласования алфавита, из которого построены дискретные сообщения, с кодовым алфавитом выходных комбинаций. Кодирование позволяет решить также задачу устранения избыточности источника сообщения и тем самым повысить скорость передаваемой информации. Примерами кодов, решающими эту задачу (задачу эффективного кодирования), являются коды Шеннона — Фано и Хафмена. Эти коды являются неравномерными. Для повышения достоверности передачи дискретной информации применяют помехоустойчивые коды. В отличие от простых кодов, у которых все возможные кодовые комбинации

используются для передачи информации, помехоустойчивые коды строятся так, что для передачи используется лишь часть от общего числа возможных комбинаций. Благодаря этому появляется возможность обнаруживать и исправлять ошибки. При обнаружении и исправлении ошибок наряду с информационными символами по каналу связи передают проверочные символы.

В системах связи применяется дискретная и непрерывная модуляция. Под дискретной модуляцией понимают такой процесс формирования модулированного сигнала, когда символам кодовой комбинации или набору символов (блоку) ставятся в однозначное соответствие заранее выбранные сигналы. Примерами таких сигналов являются, например, импульсы постоянного тока заданной длительности и амплитуды или импульсы переменного тока заданной амплитуды и длительности с отличающейся частотой.

Непрерывная модуляция — это процесс преобразования непрерывного во времени аналогового сигнала в другой непрерывный сигнал путем изменения параметров третьего сигнала (носителя или переносчика сообщения) в соответствии с преобразуемым сигналом.

Устройства, с помощью которых осуществляется модуляция, называются модуляторами.

Используются следующие носители сообщения: постоянный ток, переменный ток (гармоническое колебание), периодическая последовательность импульсов, шумоподобный сигнал (ШС). К шумоподобным сигналам относятся такие детерминированные сигналы, вид автокорреляционных функций которых мало отличается от вида автокорреляционной функции флуктуационного шума.

В системах связи применяют от одной до нескольких ступеней модуляции.

Модуляцией первичным непрерывным сигналом одного из параметров гармонического сигнала получают:

Воздействуя первичным непрерывным сигналом на один из параметров периодической последовательности видеоимпульсов, получают:

Изменением амплитуды или направления постоянного тока

в соответствии со следованием символов 0, 1 информационной кодовой последовательности получают двоичные первичные сигналы, построенные из однополярных или разнополярпых импульсов одинаковой длительности.

Модулируя один из параметров гармонического сип кию (амплитуду, фазу, частоту) двоичными первичными сигналами, сформированными во времени в соответствии со следованием символов информационной кодовой последовательности, можно получить:

Разновидностью двоичного ФМ сигнала является сигнал с относительной фазовой модуляцией (ОФМ).

Источник

Модуляция и кодирование сигналов

Модуля́ция (лат. modulatio — размеренность, ритмичность) — процесс изменения одного или нескольких параметров модулируемого несущего сигнала при помощи модулирующего сигнала.

Передаваемая информация заложена в модулирующем сигнале, а роль переносчика информации выполняет высокочастотное колебание, называемое несущим (модулируемым). Модуляция, таким образом, представляет собой процесс «посадки» информационного колебания на заведомо известную несущую с целью получения нового модулированного сигнала.

Использование модуляции позволяет:

§ согласовать параметры сигнала с параметрами линии;

§ повысить помехоустойчивость сигналов;

§ увеличить дальность передачи сигналов;

§ организовать многоканальные системы передачи (МСП с ЧРК).

Виды аналоговой модуляции:

амплитудная модуляция (АМ), происходит изменение амплитуды несущего колебания;

частотная модуляция (ЧМ), происходит изменение частоты несущего колебания;

фазовая модуляция (ФМ), происходит изменение фазы несущего колебания.

Амплитудная модуляция — процесс изменения амплитуды несущего сигнала в соответствии с мгновенными значениями модулирующего сигнала.

Частотная модуляция — процесс изменения частоты несущего сигнала в соответствии с мгновенными значениями модулирующего сигнала.

Фазовая модуляция — процесс изменения фазы несущего сигнала в соответствии с мгновенными значениями модулирующего сигнала.

Методы аналоговой модуляции

Аналоговая модуляция является таким способом физического кодирования, при котором информация кодируется изменением амплитуды, частоты или фазы синусоидального сигнала несущей частоты. Основные способы аналоговой модуляции показаны на рис. На диаграмме показана последовательность бит исходной информации, представленная потенциалами высокого уровня для логической единицы и потенциалом нулевого уровня для логического нуля. Такой способ кодирования называется потенциальным кодом.

При амплитудной модуляции(рисунок 5, б) для логической единицы выбирается один уровень амплитуды синусоиды несущего колебания, а для логического нуля – другой. Этот способ редко используется в чистом виде на практике из-за низкой помехоустойчивости (воздействие помех в канале связи приводит к искажению амплитуды передаваемого сигнала и, соответственно, к искажению передаваемой информации), но часто применяется в сочетании с другим видом модуляции – фазовой модуляцией (квадратурная амплитудная модуляция в модемах с повышенной скоростью передачи данных).

При частотной модуляции(рисунок 5, в) значения 0 и 1 исходных данных передаются синусоидами с различной частотой – f1 и f2. Этот способ модуляции не требует сложных схем в модемах и обычно применяется в низкоскоростных модемах, работающих на скоростях 300 или 1 200бит/с.

При фазовой модуляции (рисунок 5, г) значениям данных 0 и 1 соответствуют сигналы одинаковой частоты и амплитуды, но с различной фазой, например 0 и 180 градусов или 0, 90, 180 и 270 градусов.

Методы цифровой модуляции

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, если код ориентирован более чем на два состояния сигнала). 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.

На рисунке 7, а показан уже упомянутый ранее 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, но не обладает свойством самосинхронизации. Даже при наличии высокоточного тактового генератора приемник может ошибиться с моментом съема данных, так как частоты двух генераторов никогда не бывают полностью идентичными. 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.

Рисунок 7 – Способы дискретного кодирования данных

Переносчиком информации является периодическая последовательность импульсов. Она характеризуется такими параметрами, как амплитуда, длительность (ширина) импульса, частота следования импульсов, положение (фаза) каждого импульса на оси времени по отношению к так называемым тактовым точкам. Соответственно различают амплитудно-импульсную (АИМ), широтно-импульсную (ШИМ), частотно-импульсную (ЧИМ) и фазово-импульсную (ФИМ) модуляцию. В ряде случаев непрерывные сигналы квантуются по времени и уровню. Полученные при этом дискретные значения преобразуют в кодовые комбинации, состоящие из импульсов равной амплитуды и длительности, (по существу, в цифровую форму), обеспечивая кодово-импульсную модуляцию (КИМ или ИКМ). Видеоимпульсами КИМ может осуществляться амплитудная, частотная, фазовая и другая модуляция несущего колебания.

Физическое кодирование

Различают виды передачи дискретных сигналов:

— синхронный способ передачи данных — когда приёмник и передатчик работают синхронно (в один такт);

— асинхронный способ передачи данных — когда приёмник и передатчик работают несинхронно.

Система кодирования сигналов имеет иерархию.

Физическое кодирование

Нижним уровнем в иерархии кодирования является физическое кодирование, которое определяет число дискретных уровней сигнала (амплитуды напряжения, амплитуды тока, амплитуды яркости).

Физическое кодирование рассматривает кодирование только на самом низшем уровне иерархии кодирования — на физическом уровне и не рассматривает более высокие уровни в иерархии кодирования, к которым относятся логические кодирования различных уровней.

С точки зрения физического кодирования цифровой сигнал может иметь два, три, четыре, пять и т. д. уровней амплитуды напряжения, амплитуды тока, амплитуды света.

Ни в одной из версий технологии Ethernet не применяется прямое двоичное кодирование бита 0 напряжением 0 вольт и бита 1 — напряжением +5 вольт, так как такой способ приводит к неоднозначности. Если одна станция посылает битовую строку 00010000, то другая станция может интерпретировать её либо как 10000, либо как 01000, так как она не может отличить «отсутствие сигнала» от бита 0. Поэтому принимающей машине необходим способ однозначного определения начала, конца и середины каждого бита без помощи внешнего таймера. Кодирование сигнала на физическом уровне позволяет приемнику синхронизироваться с передатчиком по смене напряжения в середине периода битов.

В некоторых случаях физическое кодирование решает проблемы:

— Ёмкостного сопротивления — нарастание в проводном канале связи постоянной составляющей (паразитной ёмкости), которое препятствует функциональности электрооборудования;

— Нарушение плотности следования единичных импульсов — при передачи последовательности логических нулей или единиц происходит рассинхронизация передатчика и приемника.

Логическое кодирование

Вторым уровнем в иерархии кодирования является самый нижний уровень логического кодирования с разными назначениями.

В совокупности физическое кодирование и логическое кодирование образуют систему кодирования низкого уровня.

Каждый бит кодового слова передается или записывается с помощью дискретных сигналов, например, импульсов. Способ представления исходного кода определенными сигналами определяется форматом кода. Известно большое количество форматов, каждый из которых имеет свои достоинства и недостатки и предназначен для использования в определенной аппаратуре.

— Формат БВН (без возвращения к нулю) — единичный бит передается в пределах такта уровень не меняется. Положительный перепад означает переход из 0 к 1 в исходном коде, отрицательный — от 1 к 0. Отсутствие перепадов показывает, что значения предыдущего и последующего битов равны. Для декодирования кодов в формате БВН необходимы тактовые импульсы. Соответствующий коду формата БВН сигнал содержит низкочастотные компоненты (при передаче длинных серий нулей или единиц перепады не возникают).

— Формат БВН-1 (без возвращения к нулю с перепадом при передаче 1) — является разновидностью формата БВН. Перепады сигнала формируются при передаче 1, при передаче 0 уровень сигнала не меняется.

— Формат БВН-0 (без возвращения к нулю с перепадом при передаче 0) — является разновидностью формата БВН. Перепады сигнала формируются при передаче 0, при передаче 1 уровень сигнала не меняется. Применяется в многодорожечных системах записи цифровых сигналов. Возможным вариантом является запись двух дополнительных сигналов, соответствующих кодам в форматах БВН-1 и БВН-0.

— Формат ВН (с возвращением к нулю) — требует передачи импульса, занимающего только часть тактового интервала (например, половину), при одиночном бите. При нулевом бите импульс не формируется.

— Формат ВН-П (с активной паузой) — означает передачу импульса положительной полярности при единичном бите и отрицательной — при нулевом бите. Сигнал этого формата имеет в спектре компоненты тактовой частоты. Он применяется в ряде случаев для передачи данных по линиям связи.

— Формат ДФ-0 (двухфазный со скачком фазы при передаче 0) — соответствует способу представления, при котором перепады формируются в начале каждого такта. При единичных битах сигнал в этом формате меняется с тактовой частотой, то есть в середине каждого такта происходит перепад уровня. При передаче нулевого бита перепад в середине такта не формируется, то есть имеет место скачок фазы. Код в данном формате обладает возможностью самосинхронизации и не требует передачи тактовых сигналов.

Направление перепада при передаче сигнала единицы не имеет значения. Поэтому изменение полярности кодированного сигнала не влияет на результат декодирования. Он может передаваться по симметричным линиям без постоянной составляющей. Это также упрощает его магнитную запись. Этот формат известен также под названием «Манчестер 1». Он используется в адресно-временном коде SMPTE, широко применяющемся для синхронизации носителей звуковой и видеоинформации.

Логическое кодирование

Простейший метод кодирования информации – это метод потенциального кодирования (NRZ, называемый также кодированием без возвращения к нулю). Этот метод хорошо работает внутри компьютера, но для передачи информации по сети возникает ряд трудностей. При высоких скоростях обмена данными и длинных последовательностях единиц или нулей небольшое рассогласование тактовых частот генераторов приемника и передатчика может привести к ошибке в целый такт и, соответственно считыванию некорректного значения бита. Для использования потенциального кодирования в компьютерных сетях этот метод кодирования был улучшен, новые методы потенциального кодирования исключают длительные последовательности единиц.

Проблему с длинными последовательностями нулей решает логическое кодирование информации. Два основных метода логического кодирования это – избыточные коды (основаны на введении избыточных бит в исходные данные) и скрэмблирование (перемешивание данных) исходных данных.

Логическое кодирование используется для улучшения потенциальных кодов типа AMI, NRZI или 2Q1B. Логическое кодирование заменяет длинные последовательности нулей, приводящие к постоянному потенциалу, вкраплениями единиц. Улучшенные потенциальные коды обладают более узким спектром, чем импульсные, поэтому они находят применение в высокоскоростных технологиях, таких как FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet.

Избыточные коды основаны на разбиении исходной последовательности бит на порции, которые часто называют символами. Затем каждый исходный символ заменяется на новый, который имеет большее количество бит, чем исходный. Например, логический код 4В/5В, используемый в технологиях FDDI и FastEthernet, заменяет исходные символы длиной в 4 бита на символы длиной в 5 бит. Символы кода 4В/5В длиной 5бит гарантируют, что при любом их сочетании, на линии не могут встретиться более трех нулей подряд. Использование таблицы перекодировки является очень простой операцией, поэтому этот подход не усложняет сетевые адаптеры и интерфейсные блоки коммутаторов и маршрутизаторов.

Для обеспечения заданной пропускной способности линии передатчик, использующий избыточный код, должен работать с повышенной тактовой частотой. Для передачи кодов 4В/5В со скоростью 100 Мбит/с передатчик должен работать с тактовой частотой 125МГц. При этом спектр сигнала на линии расширяется, но несмотря на это он оказывается уже спектра манчестерского кода, что оправдывает этап логического кодирования.

1 Таблица соответствия исходных и результирующих кодов 4В/5В.

Скрэмблирование (перемешивание данных скремблером) это второй способ логического кодирования. Методы скремблирования заключаются в побитном вычислении результирующего кода на основании бит исходного кода и полученных в предыдущих тактах бит результирующего кода. Скрэмблер может реализовать следующее соотношение:

где B_i – двоичная цифра результирующего кода, полученная на i –м такте работы скрэмблера, A_i – двоичная цифра исходного кода, поступающая на i – м такте на вход скремблера; —операция исключающего ИЛИ (сложение по модулю 2). Например, для исходной последовательности 110110000001 скрэмблер даст следующий результирующий код:

В₄ = А₄ В₁ = 1 1 = 0

В₅ = А₅ В₂ = 1 1 = 0

В₆ = А₆ В₃ В₁ = 0 0 1 = 1

В₇ = А₇В₄ В₂ = 0 0 1 = 1

В₈ = А₈ В₅ В₃ = 0 0 0 = 0

В₉ = А₉ В₆ В₄ = 0 1 0 = 1

Таким образом, на выходе скрэмблера появится последовательность 110001101111.

Дескрэмблер восстанавливает исходную последовательность на основании обратного соотношения: С_i = В_i В_{i -3} В_i-5 = (A_i B_{i -3} B_{i -5}) В_{i -3} В_i-5 = А_i.

Различные алгоритмы скрэмблирования отличаются количеством слагаемых, дающих цифру результирующего кода, и сдвигом между слагаемыми.

Стандарты кабелей

Наиболее важные характеристики кабелей:

— Диаметр или площадь сечения проводника. В европейских и международных стандартах диаметр проводника указывается в миллиметрах.

3.1. Кабели на основе неэкранированной витой пары

Медный неэкранированный кабель UTP в зависимости от электрических и механических характеристик разделяется на 5 категорий.

Кабели категории 1 применяются там, где требования к скорости передачи минимальны.

Кабели категории 2 способны передавать сигналы со спектром до 1 МГц.

Кабели категории 3 используютсядля частот в диапазоне до 16 МГц. Кабель категории 3 предназначен как для передачи данных, так и для передачи голоса.

Кабели категории 4 представляют собой несколько улучшенный вариант кабелей категории 3. Они используются на частоте 20 МГц и обеспечивать повышенную помехоустойчивость и низкие потери сигнала. На практике используются редко.

Для соединения кабелей с оборудованием используются вилки и розетки RJ-45, представляющие 8-контактные разъемы, похожие на обычные телефонные разъемы RJ-11.

3.2.Кабели на основе экранированной витой пары

Экранированная витая пара STP хорошо защищает передаваемые сигналы от внешних помех, а также меньше излучает электромагнитных колебаний вовне, что защищает пользователей сетей от вредного для здоровья излучения. Наличие заземляемого экрана удорожает кабель и усложняет его прокладку, так как требует выполнения качественного заземления. Экранированный кабель применяется только для передачи данных, голос по нему не передают.

3.3. Коаксиальные кабели

3.4. Волоконно-оптические кабели

— многомодовое волокно со ступенчатым изменением показателя преломления (рис. 2, а);

— многомодовое волокно с плавным изменением показателя преломления (рис. 2,6);

— одномодовое волокно (рис. 2, в).

В многомодовых кабелях во внутреннем проводнике одновременно существует несколько световых лучей, отражающихся от внешнего проводника под разными углами. Угол отражения луча называется модой луча.

В качестве источников излучения света в волоконно-оптических кабелях применяются:

Ø светодиоды –для многомодового оптоволокна;

Ø полупроводниковые лазеры – для одномодового оптоволокна.

Методы импульсной модуляции

Дата добавления: 2018-06-27 ; просмотров: 1333 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Источник