Передача сигнала в телекоомуникационных сетях. Модуляция и кодирование

Передача информации по каналам связи. В сетях ТКС информация передается в аналоговой форме. Это единственно возможный способ передачи информации по каналам связи. При передаче цифровых данных выполняется цифро-аналоговое и аналого-цифровое преобразование (ЦАП и АЦП) модемами на выходных и входных узлах связи. Для безошибочной передачи цифровых данных работа принимающего модема должна быть синхронизирована с работой передающего. Для этого используются два вида передачи данных: асинхронная и синхронная.

Асинхронная передача реализуется по символьно - ориентированной схеме. Каждая передаваемая последовательность состоит из стартового бита, за которым следуют информационные символы, и завершается стоповым битом. Асинхронный режим передачи используется для низкоскоростных устройств и устройств, у которых отсутствует буфер.

Синхронная передача применяется для высокоскоростной передачи данных. При символьно-ориентированной синхронной передаче блоку передаваемых символов предшествует один или несколько синхронизирующих символов. При побитно - ориентированной синхронной передаче в передаваемый блок данных перед сообщением включается флаг - специальная битовая последовательность.

В зависимости от вида передачи данных используются соответственно синхронные и асинхронные модемы. Синхронная передача может проводиться только синхронными модемами, асинхронная может выполняться и с помощью синхронных модемов.

Применяется и гибридная схема передачи - изохронная. Каждый символ в ней сопровождается стартовым и стоповым битами, а работа передающего и приемного модемов синхронизируется с помощью интервалов между передаваемыми символами.

Пересылка данных в ТКС осуществляется последовательной передачей битов сообщения от источника к пункту назначения. Физически информационные биты передаются в виде модулированных или импульсно-кодовых электрических сигналов, которые зачастую называют цифровыми. Модулированные сигналы менее чувствительны к искажениям, обусловленным затуханием в передающей среде. Импульсно-кодовые сигналы могут иметь одно или конечный набор значений в пределах определенного тактового интервала. Как правило, для импульсно-кодовой передачи используется двухуровневый сигнал.

Системы телеобработки информации являются специализированными системами телекоммуникаций. Основная цель систем телеобработки данных (СТД) - обеспечить прием данных непосредственно с мест их получения и выдачу результатов обработки к местам использования. При этом нет необходимости в промежуточных носителях данных, повышается оперативность взаимодействия с ЭВМ, повышается скорость и эффективность работы системы, для которой производится обработка данных. Телеобработка позволяет использовать мощные ЭВМ с большими базами данных. С помощью линий связи к таким ЭВМ может подключаться значительное число пользователей, что обеспечивает высокий уровень загрузки и использования ЭВМ.

Значительная протяженность линий связи затрудняет возможность обмена отдельными сигналами между ЭВМ и оконечным оборудованием. Поэтому взаимодействие ЭВМ и оконечного оборудования организуется с помощью сообщений - блоков данных, передаваемых в виде единого целого. Сообщения имеют специальную структуру, обеспечивающую представление в них наряду с собственно данными служебной информации, необходимой для идентификации сообщения и защиты данных от искажений. Возможность взаимодействия абонентов с ЭВМ только посредством сообщений вносит определенную специфику в организацию программного обеспечения телеобработки.

Способы модуляции подразделяются на аналоговые и дискретные.

Термины «модуляция» и «кодирование» иногда используют как синонимы.

Аналоговая модуляция применяется для передачи дискретных данных по каналам с узкой полосой частот, например, по каналу тональной частоты телефонных сетей. Информация кодируется изменением амплитуды, частоты или фазы гармонического сигнала несущей частоты.

Амплитудная модуляция (АМ) выполняется модуляцией амплитуды несущей частоты информационным (модулирующим) сигналом. Амплитудную модуляцию кодовых последовательностей называют амплитудной манипуляцией (АМн).

В зависимости от значения передаваемого двоичного элемента (бита) несущий сигнал может принимать одно из двух состояний: "включено" (наличие сигнала) - при передаче «1», либо "выключено" (отсутствие сигнала) - при передаче «0».

Двоичную АМн называют on-off манипуляцией. В большинстве случаев амплитудную модуляцию объединяют с фазовой модуляцией (квадратурная модуляция), что повышает помехоустойчивость передачи данных и обеспечивает большую скорость передачи.

Частотная модуляция ( ЧМ).

При ЧМ под воздействием модулирующих сигналов изменяется частота несущего колебания. В случае частотной манипуляции (ЧМн) несущая частота выбирается из дискретного набора значений частот в соответствии с передаваемым битом или битовой последовательностью. В общем случае, для ЧМн может использоваться М=2ⁿ частот, каждая из которых представляет соответствующую n-битную последовательность. Так, в двоичной ЧМн используются две несущих частоты f₀₁ и f₀₂, одна для двоичного нуля, другая - для двоичной единицы. Этот способ модуляции не требует сложных схем в модемах и обычно применяется в низкоскоростных модемах, работающих на скоростях 300 или 1200 бит/с. При квадратурной частотной манипуляции применяются четыре частоты для передачи битных последовательностей: 00, 01; 10; 11.

Фазовая модуляция (ФМ).

При ФМ в соответствии с последовательностью передаваемых информационных бит, изменяется фаза несущего синусоидального колебания f₀. В случае фазовой манипуляции (ФМн) фаза несущей частоты может принимать одно из нескольких дискретных значений. В двоичной схеме ФМн (биты 0 и 1) значение фазы несущей может равняться либо 0^о, либо 180^о, в одном периоде несущего сигнала передается один бит информации. Для передачи двойных битов 00, 01, 10 и 11 в одном периоде сигнала используется квадратурная ФМн, при которой фаза может принимать одно из четырех значений соответственно: 45^о, 135^о, 225^о, 315^о или 0^о, 90^о, 180^о, 270^о.

При декодировании сигналов с ФМн фаза сигнала в приемнике сравнивается с фазой несущего колебания, что усложняет демодуляцию. На практике используется относительная фазовая манипуляция (ОФМн), при которой каждому информационному биту ставится в соответствие не абсолютное значение фазы, а ее изменение относительно предыдущего значения.

В скоростных модемах используются комбинированные методы модуляции, например, амплитудная в сочетании с фазовой. Применяемые коды имеют достаточно большое число состояний, например 4 различных уровня амплитуды в сочетании с восьмью возможными значениями сдвига фазы (квадратурная амплитудная модуляция). Часть из этих состояний являются запрещенными, и за счет этой избыточности реализуется коррекция ошибок.

Дискретная (цифровая) модуляция применяются для преобразования аналоговых сигналов, например речевых, в цифровые. Для этих целей наиболее широко используются амплитудно-импульсная, кодово-импульсная и время-импульсная модуляция.

Кодирование передаваемых данных производится в основном для повышения помехоустойчивости данных. Так, первичные коды символов могут быть представлены в помехозащищенной форме - с использованием кодов Хемминга, обеспечивающих обнаружение и исправление ошибок в передаваемых данных. В последнее время функция повышения достоверности передаваемых данных возлагается на оконечное оборудование данных и обеспечивается за счет введения информационной избыточности в передаваемые сообщения.

При цифровом кодировании дискретной информации применяют потенциальные и импульсные коды. В потенциальных кодах для представления логических единиц и нулей используется только значение потенциала сигнала. Импульсные коды позволяют представить двоичные данные либо импульсами определенной полярности, либо перепадом потенциала определенного направления.

При выборе метода цифрового кодирования к нему предъявляют следующие требования:

- Наименьшая ширина спектра результирующего сигнала. Узкий спектр сигналов позволяет добиваться высокой скорости передачи данных. Кроме того, часто к спектру сигнала предъявляется требование отсутствия постоянной составляющей.

- Возможность синхронизации между передатчиком и приемником. Как правило, в сетях применяются самосинхронизирующиеся коды, сигналы которых позволяют передатчику автоматически определять тактовую частоту передачи информационных битов (например, по резким перепадам сигналов).

- Возможность распознавания ошибок. Распознавание и коррекция ошибок реализуется средствами логического кодирования, или используется избыточность физических кодов.

Способы цифрового кодирования данных. В самосинхронизирующихся кодах каждый переход уровня сигнала от высокого к низкому уровню или наоборот используется для подстройки приемника. Лучшими считаются коды, которые обеспечивают переход уровня сигнала не менее одного раза в течение интервала времени на приеме одного информационного бита.

Наиболее распространенными являются:

- Потенциальный код без возвращения к нулю (NRZ - Non Return to Zero) - 0 и 1 кодируются различными уровнями сигнала.

Это наиболее простой способ кодирования, но имеет постоянную составляющую в спектре. При передаче длинных серий одноименных битов (единиц или нулей) уровень сигнала остается неизменным для каждой серии, что снижает качество синхронизации и надежность распознавания принимаемых битов.

Потенциальный код с возвращением к нулю (RZ - Return to Zero) - код, аналогичный NRZ, с возвращением к нулю на середине каждого тактового интервала. Имеет большее число переходов уровня сигнала, чем сигнал в коде NRZ.

Биполярное кодирование с альтернативной инверсией (AMI) - 0 кодируется нулевым потенциалом, а 1 - положительным или отрицательным ненулевым, причем потенциал каждой следующей единицы противоположен по знаку предыдущей. Спектр кода не содержит постоянной составляющей. Используется три уровня сигналов, что требует увеличения мощности передатчика. Обладает хорошими синхронизирующими свойствами при передаче серий единиц и прост в реализации. Недостатком кода является ограничение на плотность нулей в потоке данных, поскольку длинные последовательности нулей ведут к потере синхронизации.

Манчестерский код (PE - Phase Encode, фазовое кодирование) - наиболее популярный код, применяемый в локальных сетях.

При манчестерском кодировании информация передается перепадами потенциала, происходящими в середине такта. Единица кодируется перепадом от низкого уровня к высокому, а ноль наоборот. В начале каждого такта может происходить, а может и не происходить служебный перепад (он происходит, если в предыдущем такте передаваемый бит имел то же значение, что и в текущем.). Манчестерский код обеспечивает изменение уровня сигнала при представлении каждого бита и не имеет постоянной составляющей.

Логическое кодирование - это предварительное изменение передаваемой информации с целью сделать ее более удобной для передачи. Например, путем логического кодирования избавляются от длинных последовательностей нулей и единиц.

Избыточное кодирование - вариант логического кодирования, при котором к основной информации добавляется дополнительная. При этом передаваемая последовательность бит разбивается на порции, называемые символами, и каждый символ заменяется на новый, имеющий большее количество бит, чем исходный. Например, логический код 4В/5В заменяет исходные символы длиной 4 бита на символы длиной 5 бит. При этом возникает 16 «запрещенных» символов, прием которых свидетельствует об ошибке связи и появляется возможность исправления ошибок передачи.