Методы кодирования и передачи данных на физическом уровне

 

Дискретные данные, передаваемые по каналам связи телекоммуникационных сетей, предварительно подвергаются физическому кодированию. Существует две основные разновидности физического кодирования ‑ на основе синусоидального несущего сигнала и на основе последовательности прямоугольных импульсов.

Первый способ часто называется аналоговой модуляцией, так как кодирование осуществляется за счет изменения параметров аналогового сигнала. Второй способ обычно называют цифровым кодированием. Эти способы отличаются шириной спектра результирующего сигнала и сложностью аппаратуры, необходимой для их реализации.

При использовании прямоугольных импульсов спектр результирующего сигнала получается весьма широким, что требует использования дорогостоящих линий связи с широкой полосой пропускания. Применение синусоиды приводит к спектру гораздо меньшей ширины при той же скорости передачи информации. Однако для реализации синусоидальной модуляции требуется более сложная и дорогая приемо-передающая аппаратура, чем для реализации прямоугольных импульсов.

 

Методы аналоговой модуляции

Аналоговая модуляция является таким способом физического кодирования, при котором информация кодируется изменением амплитуды, частоты или фазы непрерывного синусоидального сигнала несущей частоты.

Аналоговая модуляция применяется для передачи дискретных данных по каналам связи с узкой полосой пропускания. Типичными представителями таких каналов являются телефонные каналы тональной частоты. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) телефонного канала представлена на рис. 2.10.

 

 

Рис. 2.10. АЧХ телефонного канала

 

Этот канал передает сигналы тональной частоты в диапазоне от 300 до 3400 Гц. То есть его полоса пропускания составляет 3100 Гц.

Устройство, которое выполняет функции модуляции несущей синусоиды на передающей стороне и демодуляции на приемной стороне, называется модемом (модулятор-демодулятор).

Основные методы аналоговой модуляции показаны на рис. 2.11, а их физическую сущность иллюстрируют диаграммы на рис. 2.12.

 

 

Рис. 2.11. Методы аналоговой модуляции

 

На диаграмме (рис. 2.12, а) 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, который часто используется при передаче данных между блоками компьютера.

При амплитудной модуляции (рис. 2. 12, б)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 ­ фазовой модуляцией.

При частотной модуляции (рис. 2.12, в) значения 0 и 1 исходных данных передаются синусоидами с различной частотой ­ f_о и f_b Этот способ модуляции не требует сложных схем в модемах и обычно применяется в низкоскоростных модемах, работающих на скоростях 300 или 1200 бит/с.

При фазовой модуляции (рис. 2.12, г) значениям данных 0 и 1 соответствуют сигналы одинаковой частоты, но с различной фазой, например 0 и 180 градусов.

 

 

Рис. 2.12. Амплитудная (б), частотная (в) и фазовая (г) модуляция

 

Для повышения скорости передачи данных могут использоваться методы, основанные на модификации или комбинации рассмотренных методов модуляции. К одним из таких методов относится квадратурная фазовая модуляция, при которой передаваемые биты информации группируются по 3. Для каждой из 8-ми возможных групп по три бита (000, 001, 010,..., 111) формирователь выбирает пару чисел (a_n, b_n), равномерно расположенных на круговой диаграмме (рис. 2.13, а). Передатчик передает сигнал Y(t) = a_ncos (2πƒ₀t) + b_nsin (2πƒ₀t) в течение Т секунд. На рис. 2.13, б показаны сигналы, соответствующие 3-битовым словам 000, 001, 010. На рис. 2.13, в показано, как передатчик передает цифровую последовательность 010'000'001'010.

Еще один широко применяемый метод квадратурной амплитудной модуляции основан на сочетании фазовой модуляции с 8 значениями величин сдвига фазы и амплитудной модуляции с 4 уровнями амплитуды, что позволяет одновременно передавать 32 бита информации.

 

а

 

 

б

 

Рис. 2.13. Метод квадратурной фазовой модуляции

 

в

 

Рис. 2.13. Метод квадратурной фазовой модуляции