Модуляция несущего колебания

Одной из основных тенденций развития сетевых технологий является пе- редача в одной сети как дискретных, так и аналоговых по своей природе дан- ных. Источниками дискретных данных являются компьютеры и другие вычис- лительные устройства, а источниками аналоговых данных являются такие устройства, как телефоны, видеокамеры, звуко- и видеовоспроизводящая аппа- ратура. На ранних этапах решения этой проблемы в территориальных сетях все типы данных передавались в аналоговой форме, при этом дискретные по свое- му характеру компьютерные данные преобразовывались в аналоговую форму с помощью модемов.

Устройство, которое выполняет функции модуляции несущей синусоиды на передающей стороне и демодуляции на приемной стороне, носит название модем (модулятор-демодулятор). Модулятор переносит спектр сигнала данных в полосу пропускания канала связи и демодулятор – обратно (рис. 2.8).

Однако по мере развития техники съема и передачи выяснилось, что пе- редача данных в аналоговой форме сопряжена с существенными искажениями, которые трудно устранить при приеме.

Рис. 2.8. Роль телефонного модема

Поэтому на смену аналоговой технике записи и передачи звука и изобра- жения пришла цифровая техника. Эта техника использует так называемую дис- кретную модуляцию сигнала переносчика.

Модуляция является таким способом физического кодирования, при ко- тором информация (данные) отображается (кодируется) в изменении амплиту- ды, частоты или фазы синусоидального сигнала несущей частоты. Основные способы модуляции показаны на рис. 2.9.

 

A₁ A₀

 

Рис. 2.9. Различные типы аналоговой модуляции

На диаграмме (рис. 2.9, 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. 2.9, б) для логической единицы вы- бирается один уровень амплитуды синусоиды несущей частоты (A 1), а для ло- гического нуля – другой (A 1). 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. 2.5, в) значения 0 и 1 исходных данных передаются синусоидами с различной частотой – f 0 и f 1. Этот способ модуляции не требует сложных схем и обычно применяется в низкоскоростных модемах.

При фазовой модуляции (рис. 2.5, г) значениям данных 0 и 1 соответ- ствуют сигналы одинаковой частоты, но с различной фазой (Ф), например 0 и 180 градусов или 0,90,180 и 270 градусов.

В современных системах передачи данных используются дискретные ме- тоды модуляции несущего колебания. т. е. несколько счетных значений ампли- туды, либо частоты, либо фазы.

Для повышения скорости передачи данных используют комбинирован- ные методы модуляции. Наиболее распространенными являются дискретные методы квадратурной амплитудной модуляции. (Quadrature Атрlitude Моdиla- tion, QAM). Эти методы основаны на сочетании фазовой модуляции с несколь- кими значениями величины сдвига фазы и амплитудной модуляции с несколь- кими уровнями амплитуды.

 

Так, например, при сочетании фазовой модуляции с 8 значениями вели- чины сдвига фазы и амплитудной модуляции с 2 уровнями амплитуды (рис. 2.10) осуществляется, по сути, цифровое кодирование несущего колебания с основанием кода m =16, что позволяет в одной посылке передавать четыре бита первичного информационного сигнала.

 

Рис. 2.10. Квадратурная амплитудная модуляция КАМ-16

Однако из возможных 16 комбинаций сигнала посылки используются да- леко не все. Например, в кодах Треллиса допустимы всего 6, 7 или 8 комбина- ций для представления исходных данных, а остальные комбинации являются запрещенными. Такая избыточность кодирования требуется для распознавания модемом ошибочных сигналов, являющихся следствием искажений из-за помех в канале связи.

 

2.1.6. Цифровое кодирование

При цифровом кодировании дискретной информации, когда передача осуществляется в первичной полосе частот, то есть без использования сигнала- переносчика, применяют потенциальные и импульсные коды.

В потенциальных кoдax для представления логических единиц и нулей используется только значение потенциала сигнала, а его перепады, формирую- щие законченные импульсы, во внимание не принимаются. Импульсные коды позволяют представить двоичные данные либо импульсами определенной по- лярности, либо частью импульса – перепадом потенциала определенного направления.

Наиболее простым потенциальным кодом является код без возвращения к нулю (NRZ) (рис. 2.11, а), однако он не является самосинхронизирующимся и создает постоянную cоставляющую.

 

Метод NRZ прост в реализации, обладает хорошей распознаваемостью ошибок (из-за двух резко отличающихся потенциалов), но не обладает свой- ством самосинхронизации. При передаче длинной последовательности единиц или нулей сигнал на линии не изменяется, что создает постоянную cоставляю- щую в принимаемом сигнале.

0 1 0 1 1 0 0 0

 

 

б)

Рис. 2.11. Потенциальный код: а – код без возвращения к нулю NRZ;

б – (NRZI)

Для улучшения свойств потенциального кода NRZ используются методы логического кодирования, исключающие длинные последовательности нулей. Эти методы основаны:

• нa введении избыточных бит в исходные данные (коды типа 4В/5В);

• скремблировании исходных данных.

Операция скремблирования заключается в предварительном «перемеши-

вании» исходной информации таким образом, чтобы вероятность появления единиц и нулей на линии становилась близкой. При скремблировании исполь- зуется известный алгоритм, поэтому приемник, получив двоичныеe данные, пе- редает их на дескремблер, который восстанавливает исходную последователь- ность бит.

Улучшенные потенциальные коды обладают более узким частотным спектром, чем импульсные, поэтому они находят применение в высокоскорост- ных технологиях, таких как FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet.

Самым распространенным методом кодирования, применяемым в техно- логиях Ethernet и Token Ring, является манчестерский код.

Манчестерский код – это самосинхронизирующийся двоичный код без постоянной составляющей, в котором значение каждого передаваемого бита определяется направлением смены логического уровня в середине обусловлен- ного заранее временного интервала (такта Т, рис. 2.12). При двух логических уровнях у бита (1 и 0), вариантов тут немного: либо смена 1 Þ 0, либо 0 Þ 1. Согласно общепринятым стандартам для манчестерского кода переход от нуля к единице считается 1, а если наоборот, то 0 (рис. 2.12, a). Кодированная манче- стерским кодом битовая последовательность показана на рис. 2.12, б.

0

а)                                                   б)

Рис. 2.12. Пример манчестерского кодирования: а – код «1» и «0»;

б – пример передачи данных