84769

Модуляция и кодирование данных

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

На основе непрерывного аналогового высокочастотного синусоидального сигнала называемого несущей аналоговая модуляция; на основе дискретного цифрового сигнала в виде импульсов импульсная или цифровая модуляция. Процесс преобразования дискретных данных представляемых дискретными первичными сигналами...

Русский

2015-03-21

654.93 KB

13 чел.

Лекция 6

2.5 Модуляция и кодирование данных

Передача данных осуществляется в виде физических сигналов различной природы (электрические, оптические, радиоволны) в зависимости от среды передачи. Для обеспечения качественной передачи используются различные способы преобразования данных, представляемых в виде непрерывных или дискретных первичных сигналов,  в линейные физические сигналы (непрерывные или дискретные), передаваемые по линии связи.

Процесс преобразования непрерывных сигналов и их представление в виде физических сигналов для качественной передачи по каналам связи называется модуляцией.

Модуляция может осуществляться (рис.42):

• на основе непрерывного (аналогового) высокочастотного синусоидального сигнала, называемого несущей (аналоговая модуляция);

• на основе дискретного (цифрового) сигнала в виде импульсов (импульсная или цифровая модуляция).

Процесс преобразования дискретных данных, представляемых дискретными первичными сигналами, в физические линейные сигналы (непрерывные или дискретные), передаваемые по каналу (линии) связи, называется физическим кодированием.

Рис. 42

Основные типы физического кодирования (рис.43):

• на основе непрерывного (аналогового) синусоидального несущего сигнала (манипуляция);

• на основе последовательности прямоугольных импульсов (цифровое кодирование).

Рис. 43

2.5.1 Модуляция непрерывных данных

Аналоговая модуляция - преобразование непрерывного низкочастотного сигнала x(t) (рис.44,а) в непрерывный высокочастотный сигнал y(t), называемый несущей и обладающий более высокими характеристиками в отношении дальности передачи и затухания. Аналоговая модуляция может быть реализована двумя способами:

1) амплитудная модуляция, при которой амплитуда высокочастотного сигнала y(t) изменяется в соответствии с исходной функцией x(t) так, как это показано на рис.44,б: огибающая амплитуды несущей повторяет форму исходной функции x(t) ;

Рис. 44

2) частотная модуляция (рис.44,в), при которой в соответствии с исходной функцией x(t) изменяется частота несущей - чем больше значение x(t), тем больше частота несущей y(t)

Аналоговая модуляция используется в радиовещании при работе множества радиостанций в одной общей среде передачи (радиоэфире): амплитудная модуляция для работы радиостанций в АМ-диапазоне (Amplitude Modulation) и частотная модуляция для работы радиостанций в FM — диапазоне (Frequence Modulatin).

Использование цифровых каналов связи для передачи телефонных данных (речевого сигнала) в начале 60-х годов прошлого века потребовало разработки методов преобразования непрерывных сигналов в дискретные, таких как:

1) амплитудно-импульсная модуляция;

2) импульсно-кодовая модуляция.

Амплитудно-импульсная модуляция (АИМ) (Pulse Amplitude Modulation - РАМ) заключается в преобразовании непрерывного сигнала в совокупность дискретных сигналов (импульсов) с определенной амплитудой. Для этого исходная непрерывная функция x(t) подвергается дискретизации (квантуется) по времени так, как это показано на рис.45,а.

Частота дискретизации по времени определяется в соответствии с теоремой Котельникова, которая гласит, что для восстановления без потерь непрерывного сигнала, представленного в дискретном виде, частота дискретизации  должна удовлетворять условию:, где  - верхняя частота передаваемого сигнала x(t) . В полученные таким образом дискретные моменты времени передаются импульсы y(t) , амплитуда которых пропорциональна значениям функции x(t) в эти же моменты времени (рис.45,б).

Рис. 45

Существенным недостатком АИМ при передаче оцифрованных данных по каналу связи является сложность корректного восстановления функции x(t) на приёмном конце, что обусловлено непропорциональным изменением (затуханием) амплитуд разных импульсов y(t) в процессе передачи по каналу связи. В связи с этим, более широкое распространение получил другой метод передачи непрерывных данных в дискретном виде - импульсно-кодовая модуляция.

Импульсно-кодовая модуляция (ИКМ) (Pulse Code Modulation - РСМ) - метод модуляции, при котором аналоговый сигнал кодируется сериями импульсов, представляющими собой цифровые коды амплитуд в точках отсчета аналогового сигнала.

Для этого исходный сигнал подвергается дискретизации (квантуется) по двум координатам:

• по оси абсцисс - дискретизация по времени;

• по оси ординат - дискретизация по уровню.

Дискретизация по времени, как и в случае АИМ, выполняется в соответствии с теоремой Котельникова. Поскольку ИКМ первоначально разрабатывалась для передачи телефонных данных (голоса) по телефонным каналам, имеющим резко ограниченную полосу про пускания в интервале от 300 Гц до 3400 Гц, то в соответствии с теоремой Котельникова частота дискретизации должна быть больше, чем 6800 Гц. Стандартом была рекомендована частота дискретизации 8000 Гц. Таким образом, амплитуда аналогового сигнала измеряется 8000 раз в секунду, то есть каждые 125 мкс.

Для качественного восстановления аналогового сигнала (голоса) достаточно иметь 256 уровней дискретизации (рис.45,а), что позволяет передавать в каждый момент времени значение амплитуды (номер уровня) сигнала с помощью 8-разрядного цифрового кода (8 битов) (рис.45,в).

Таким образом, результирующий дискретный поток данных передается со скоростью 8000 [раз в секунду]*8 [бит] = 64 000 бит/с, то есть для передачи оцифрованного голоса требуется канал связи с пропускной способностью 64 кбит/с.

Для уменьшения требуемой для передачи оцифрованного голоса пропускной способности канала связи применяется модифицированный метод ИКМ - адаптивная дифференциальная импульсно-кодовая модуляция (АДИКМ).

Термин «дифференциальная (разностная)» означает, что по каналу связи передаётся не значение амплитуды, а разность между текущим значением непрерывного сигнала в точке квантования и предыдущим.

Поскольку скорость изменения исходного аналогового сигнала меньше частоты квантования, то вероятность большого различия между соседними амплитудами чрезвычайно мала, и для кодирования этой разности достаточно 4-х бит, позволяющих закодировать эту разность в интервале от О до 15. Тогда при условии, что частота квантования по времени составляет 8000 раз в секунду, получим скорость передачи 8000*4 =32 кбит/с, что вдвое меньше стандартной скорости ИКМ.

Более сложным вариантом дифференциальной импульсно-кодовой модуляции является кодирование с предсказанием, при котором кодируется и передаётся разница между реальным и предсказанным на основе нескольких предыдущих отсчётов значением сигнала. Это позволяет ещё больше уменьшить количество битов для кодирования одного замера сигнала и, следовательно, уменьшить требование к пропускной способности канала связи. Адаптивность модуляции заключается в динамической подстройке шага квантования разницы по предыдущим значениям.

2.5.2 Модуляция 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 про пускания 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.46,а).

Такой метод представления двоичных данных является наиболее естественным и простым и называется потенциальным кодированием.

Рис. 46

Время, затрачиваемое на передачу одного бита («1» или «0»), называется битовым интервалом. Длительность  битового интервала связана с пропускной способностью канала связи  (скоростью передачи) зависимостью: .

При потенциальном кодировании скорость модуляции  численно совпадает с пропускной способностью канала :  [бод]=  [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.46,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.46,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, например 0 и 180 градусов (рис.46,г).

На практике обычно используются комбинированные методы модуляции, обеспечивающие более высокие скорости передачи и лучшую помехозащищённость. Например, метод квадратурной амплитудной модуляции (Quаdrаturе Аmрlitudе Моdulаtiоn, QAМ) основан на сочетании фазовой модуляции с 8 значениями величин сдвига фазы и амплитудной модуляции с 4 уровнями амплитуды. Распознавание ошибок при передаче осуществляется за счёт избыточности кодирования, заключающейся в использовании не всех 32-х возможных комбинаций сигнала.

2.5.3 Цифровое кодирование

Потенциальный код без возврата к нулю – NRZ (Non Return to Zero) - рис.47,а. В этом методе высокий потенциал соответствует значению бита «1», а низкий - значению «0».

Достоинства:

• низкая частота основной гармоники:  Гц ( - битовая скорость передачи данных), которая меньше, чем у других методов кодирования;

• наличие только двух уровней потенциала и, как следствие, простота и низкая стоимость.

Недостатки:

• не обладает свойством самосинхронизации: при передаче длинной последовательности единиц или нулей сигнал не изменяется и возможна рассинхронизация часов приёмника и передатчика;

• наличие низкочастотной составляющей не позволяет использовать этот вид кодирования в каналах связи, не обеспечивающих прямого гальванического соединения между приемником и источником.

По этим причинам в компьютерных сетях код NRZ в чистом виде не используется. Тем не менее, используются его модификации, в которых устраняют постоянную составляющую и отсутствие самосинхронизации.

Кроме потенциальных кодов в компьютерных сетях используются импульсные коды, в которых данные представлены полным импульсом или же его частью - фронтом. Наиболее простым является биполярный импульсный код, называемый также кодированием с возвратом к нулю (Return to Zero, RZ), в котором единица представлена импульсом одной полярности, а ноль - импульсом другой полярности (рис.47,б). Каждый импульс длится половину такта (битового интервала). В середине каждого битового интервала происходит возврат к нулевому потенциалу.

Достоинство:

Рис. 47

• обладает свойством самосинхронизации - возврат в середине каждого битового интервала к нулевому потенциалу служит признаком (стробом) для синхронизации часов приёмника.

Недостатки:

• наличие трех уровней сигнала, что требует увеличения мощности передатчика для обеспечения достоверности приема и, как следствие, большая стоимость реализации;

• спектр сигнала шире, чем у потенциальных кодов; так, при передаче всех нулей или единиц частота основной гармоники кода будет равна Гц, что в два раза выше основной гармоники кода NRZ.

Из-за слишком широкого спектра биполярный импульсный код используется редко.

Одной из модификаций метода RZ является метод биполярного кодирования с альтернативной инверсией (Bipolar Alternate Mark Inversion, AМl), в котором используются три уровня потенциала — положительный, нулевой и отрицательный (рис.47,в). Двоичный «0» кодируется нулевым потенциалом, а двоичная «1» - либо положительным потенциалом, либо отрицательным, при этом потенциал следующей единицы противоположен потенциалу предыдущей.

Достоинства:

• ликвидируется проблема постоянной составляющей и отсутствия самосинхронизации при передаче длинных последовательностей единиц, поскольку сигнал в этом случае представляет собой последовательность разнополярных импульсов с тем же спектром, что и у кода NRZ, передающего чередующиеся нули и единицы, то есть с частотой основной гармоникой Гц;

• в целом, использование кода AМl приводит к более узкому спектру сигнала, чем для кода NRZ, а значит и к более высокой пропускной способности канала связи, в частности, при передаче чередующихся единиц и нулей частота основной гармоники Гц;

• предоставляет возможность распознавать ошибочные сигналы при нарушении чередования полярности сигналов; сигнал с некорректной полярностью называется запрещенным сигналом.

Недостатки:

• наличие трёх уровней сигнала, что требует увеличения мощности передатчика;

• наличие постоянной составляющей в сигнале в случае длинных последовательностей нулей.

В локальных сетях (ЛВС Ethernet и Token Ring) до недавнего времени применялся манчестерский код (рис.47,г), в котором для кодирования двоичных единиц и нулей используется переход сигнала в середине каждого битового интервала:

• «1» кодируется переходом от высокого уровня сигнала к низкому;

• «0» - обратным переходом от низкого уровня сигнала к высокому.

Если данные содержат подряд несколько единиц или нулей, то в начале каждого битов ого интервала происходит дополнительный служебный переход сигнала.

Достоинства:

• обладает свойством самосинхронизации, так как значение потенциала всякий раз изменяется в середине битового интервала, что может служить сигналом для синхронизации приёмника с передатчиком;

• имеет только два уровня потенциала;

• спектр манчестерского кода меньше, чем у биполярного импульсного, в среднем в 1,5 раза: основная гармоника при передаче последовательности единиц или нулей имеет частоту Гц, а при передаче чередующихся единиц и нулей она равна  Гц, как и у кода NRZ;

• нет постоянной составляющей.

Недостатки:

• спектр сигнала шире, чем у кода NRZ и кода AМI.

Дифференциальный или разностный манчестерский код используется в сетях Token Ring FDDI и представляет собой разновидность манчестерского кода с двумя уровнями потенциала:

• «0» кодируется изменением потенциала в начале битового

интервала;

• «1» - сохранением предыдущего уровня потенциала.

В середине каждого битового интервала обязательно присутствует переход с одного уровня потенциала на другой (рис.47,д).

Код трехуровневой передачи МLТ-З (Multi Level Тrаnsmissiоn-З) имеет много общего с кодом AМl. Единице соответствует последовательный переход на границе битового интервала с одного уровня сигнала на другой. При передаче нулей сигнал не меняется (рис. 47).

Максимальная частота сигнала достигается при передаче длинной последовательности единиц. В этом случае изменение уровня сигнала происходит последовательно с одного уровня на другой с учетом предыдущего перехода.

МLТ-З используется в сетях FDDI на основе медных проводов, известных как CDDI, и Fast Ethernet стандарта 100Base-ТХ совместно с избыточным методом логического кодирования 4В/5В.

Недостатки:

• отсутствие свойства самосинхронизации;

• наличие трех уровней сигнала;

• наличие постоянной составляющей в сигнале в случае длинной последовательности нулей.

В пятиуровневом коде РАМ-5 используется 5 уровней амплитуды сигнала и двухбитовое кодирование (рис.47,ж), означающее наличие четырёх уровней, соответствующих двум битам передаваемых данных: 00, 01, 10, 11, то есть в одном битовом интервале передаются сразу два бита.

Пятый уровень добавлен для создания избыточности кода, используемого для исправления ошибок.

Достоинства:

• при одной той же скорости модуляции (длительности битового интервала) по каналу связи можно передавать данные в два раза быстрее по сравнению с AМl или NRZI, так как в одном битовом интервале передаются сразу два бита.

Недостатки:

• длинные последовательности одинаковых пар бит приводят к появлению в сигнале постоянной составляющей;

• наличие 4-х уровней требует большей мощности передатчика, чтобы уровни четко различались приемником на фоне помех.

Код РАМ-5 используется в сетях 1000Base-Т (Gigabit Ethernet).

Для улучшения потенциальных кодов типа AМl, NRZI или МLТ-З - ликвидацию длинных последовательностей единиц или нулей, приводящих к постоянному потенциалу - применяется избыточное кодирование, при котором исходный двоичный код рассматривается как совокупность символов, представляющих собой последовательность нескольких битов, каждый из которых заменяется новым символом, содержащим большее количество бит, чем исходный.

Примерами методов избыточного кодирования являются 4B/5B (используется в ЛВС Fast Ethernet стандартов 100Bаsе-ТХ и 100Bаsе-FХ и в сети FDDI), 5B/6B (100VG-AnуLАN), 8B/10B (10GBаsе-Х), 64B/66B (10GBаsе-R и 10GBаsе-W). Буква «B» в названии кода означает, что элементарный сигнал имеет 2 состояния (от английского binaгy - двоичный), а цифры указывают, какое количество бит содержится в одном символе исходного и результирующего кода соответственно. В частности, метод 4B/5B означает, что каждые 4 бита в исходном коде заменяются 5-ю битами в результирующем коде, то есть четырёхбитные символы исходного кода заменяются символами, содержащими по 5 бит. Для этого используется специальная таблица перекодировки, устанавливающая соответствие между исходными четырёхбитовыми символами и результирующими пятибитовыми символами.

Количество результирующих символов больше количества исходных символов. Так, в коде 4B/5B результирующих символов может быть , в то время как исходных символов только . Поэтому среди результирующих символов можно отобрать 16 таких, любое сочетание которых не содержит длинных последовательностей нулей или единиц (в худшем случае 3 нуля или 8 единиц). Остальные 16 символов рассматриваются как запрещенные, появление которых означает ошибку в передаваемых данных. Избыточность кода 4В/5В составляет 25%. Это означает, что реальная пропускная способность канала будет на 25% меньше номинальной. Для обеспечения заданной пропускной способности канала передатчик должен работать с повышенной тактовой частотой. В частности, для передачи кодов 4В/5В со скоростью 100 Мбит/с передатчик должен работать с тактовой частотой 125 МГц. При этом спектр сигнала увеличивается по сравнению со случаем, когда передается не избыточный код. Тем не менее, спектр избыточного кода меньше спектра манчестерского кода, что оправдывает использование логического кодирования.

Достоинства:

• код становится самосинхронизирующимся, так как прерываются длинные последовательности нулей и единиц;

• исчезает постоянная составляющая, а значит, сужается спектр сигнала;

• появляется возможность обнаружения ошибок за счёт запрещённых символов;

• простая реализация в виде таблицы перекодировки.

Недостатки:

• уменьшается полезная пропускная способность канала связи, так как часть пропускной способности тратится на передачу избыточных бит;

• дополнительные временные затраты в узлах сети на реализацию логического кодирования.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

69977. ВЗАИМОСВЯЗЬ ЭМПАТИИ И САМОАКТУАЛИЗАЦИИ В ЮНОШЕСКОМ ВОЗРАСТЕ 90 KB
  В данной статье автор анализирует особенности взаимосвязи эмпатии и самоактуализации личности в юношеском возрасте. В работе представлены результаты эмпирического исследования согласно которому существует связь общего уровня эмпатии с отдельными шкалами самоактуализации.
69978. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОНЯТИЯ «ЭМПАТИЯ» В ОТЕЧЕСТВЕННОЙ И ЗАРУБЕЖНОЙ ПСИХОЛОГИИ 117.5 KB
  Кроме того вместо эмпатии но в сходных значениях употребляются другие термины: сопереживание сочувствие сострадание альтруизм просоциальное поведение социальная сензитивность. в западноевропейской философии рассматривались и обсуждались такие аспекты эмпатии как: определение сущности данного явления; установление и описание всевозможных форм ее проявления; выявление наличия и характера взаимосвязей с другими показателями психического развития человека. Первые исследования эмпатии в психологии носили в основном эмпирический...
69979. ПРОФЕССИОНАЛЬНЫЕ КОМПЕТЕНЦИИ ИНЖЕНЕРОВ И ИХ ФОРМИРОВАНИЕ В ПРОЦЕССЕ ОБУЧЕНИЯ В ВУЗЕ 61 KB
  Содержит описание специфики профессиональной деятельности инженера. С позиции акмеологии выделяются следующие общие и обязательные для всех специалистов характеристики профессиональной компетентности: гностическая когнитивная отражает наличие необходимых профессиональных...
69980. МОТИВАЦИОННЫЙ ПРОФИЛЬ ЛИЧНОСТИ СТУДЕНТА-ПСИХОЛОГА С РАЗНЫМ УРОВНЕМ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЙ НАПРАВЛЕННОСТИ 70.5 KB
  В данной статье анализируется проблема профессиональной направленности и ее влияние на мотивационный профиль студента-психолога. Эмпирически доказывается что студенты с высоким уровнем профессиональной направленности активнее стремятся к познанию и развитию себя своих возможностей и способностей.
69981. ЗНАЧЕНИЕ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ КОМПЕТЕНТНОСТИ В СТРУКТУРЕ КОМПЕТЕНЦИЙ СТУДЕНТОВ-ПСИХОЛОГОВ 117 KB
  Конкретизированный список инструментальных компетенций содержит: 1 способность к анализу и синтезу; 2 способность к организации и планированию; 3 базовые знания в различных областях; 4 тщательная подготовка по основам профессиональных знаний; 5 письменная и устная коммуникация на родном языке...
69982. Здоровьесберегающая деятельность педагога и психолога: интерактивный подход 32.47 KB
  Одно из направлений современной психологии психология здоровья. В качестве ведущих здоровьесберегающих технологий специалисты выделяют следующие: организационно-педагогические технологии: определяют структуру учебного процесса частично регламентированную в...
69983. СОЗДАНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА: СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД 97 KB
  Использование возможностей открытого доступа к научно-образовательным ресурсам и репозиториям университетов показано как одно из важных направлений реализации системного подхода к организации разработки ЭУМК.; использование возможностей открытого доступа к научно-образовательным ресурсам...
69984. ОБЪЕКТИВНЫЕ И СУБЪЕКТИВНЫЕ ФАКТОРЫ КАЧЕСТВА ЖИЗНИ МОЛОДОГО СПЕЦИАЛИСТА 107 KB
  В статье анализируются понятия качество жизни психологическое и субъективное благополучие и их взаимосвязь. Определяется значимость качества жизни и благополучия личности для профессиональной и личностной самореализации выпускника вуза.
69985. Развитие патриотического воспитания школьников Беларуси (1920 – 1930-е гг.) 68.5 KB
  В статье рассматривается процесс становления и развития патриотического воспитания школьников Беларуси в 1920-1930е гг. Определяются цели патриотического воспитания его место в воспитательной работе советской школы.