Методы модуляции и кодирования данных

Методы модуляции и кодирования данных

(Теоретический материал для выполнения домашнего задания)

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

Введение. 2

1. Аналоговая модуляция. 3

1.1. Методы аналоговой модуляции. 3

1.2. Спектр модулированного сигнала. 4

2. Цифровое кодирование. 6

2.1. Требования к методам цифрового кодирования. 6

2.2. Потенциальный код без возврата к нулю (NRZ) 7

2.3. Биполярный импульсный код (RZ) 8

2.4. Метод биполярного кодирования с альтернативной инверсией (AMI) 8

2.5. Потенциальный код с инверсией при единице (NRZI) 9

2.6. Манчестерский код. 9

2.7. Код трехуровневой передачи MLT-3. 10

2.8. Пятиуровневый код PAM-5. 10

3. Логическое кодирование. 11

3.1. Избыточные коды.. 12

3.2. Скремблирование. 13

Литература. 15

 

 

Введение

Процесс представления дискретных данных в виде физических сигналов для их передачи по каналам связи называется физическим кодированием.

Основные типы физического кодирования:

· на основе непрерывного (аналогового) синусоидального несущего сигнала (модуляция или аналоговая модуляция);

· на основе последовательности прямоугольных импульсов (цифровое кодирование).

Процесс представления аналоговых данных в виде физических дискретных (цифровых) сигналов для их передачи по каналам связи называется цифровой (дискретной) или импульсной модуляцией.

 

Аналоговая модуляция

Аналоговая модуляция применяется для передачи дискретных данных в виде непрерывных сигналов по каналам с узкой полосой частот, например по каналам тональной частоты (ТЧ) в телефонных сетях с полосой пропускания 3100 Гц. Строгое ограничение полосы пропускания тонального канала связано с использованием аппаратуры уплотнения и коммутации каналов в телефонных сетях и реализуется с помощью фильтров, отсекающих частоты менее f_н=300 Гц и более f_в=3400 Гц.

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

 

Методы аналоговой модуляции

Аналоговая модуляция - способ представления дискретных (цифровых) данных в виде непрерывного синусоидального сигнала (несущей).

В простейшем случае двоичные данные могут быть представлены потенциалами высокого уровня для «1» и потенциалами низкого уровня для «0» (рис.1,а). Такой способ кодирования называется потенциальным и используется обычно при передаче данных между блоками компьютера.

Основные методы аналоговой модуляции (рис.1):

· амплитудная модуляция (рис.1,б): для представления «1» и «0» используются разные уровни амплитуды несущей; из-за низкой помехоустойчивости этот способ на практике обычно применяется в сочетании с другими видами модуляции, например фазовой модуляцией;

· частотная модуляция (рис.1,в): значения «0» и «1» передаются синусоидами с различной частотой – f₀ и f₁; этот способ модуляции прост в реализации и обычно применяется в низкоскоростных модемах;

· фазовая модуляция (рис.1,г): значениям «0» и «1» соответствуют синусоиды одинаковой частоты, но с различной фазой, например 0 и 180 градусов.

В скоростных модемах обычно используются комбинированные методы модуляции, например амплитудная модуляция в сочетании с фазовой.

 

Рис.1. Методы аналоговой модуляции

 

 

Цифровое кодирование

При цифровом кодировании дискретной информации применяют потенциальные и импульсные коды.

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

 

Требования к методам цифрового кодирования

При использовании прямоугольных импульсов для передачи дискретной информации необходимо выбрать такой способ кодирования, который обеспечивает:

· при одной и той же битовой скорости наименьшую ширину спектра результирующего сигнала;

· синхронизацию между передатчиком и приемником;

· распознавание ошибок и коррекцию искаженных данных;

· низкую стоимость реализации.

 

Более узкий спектр сигналов позволяет на одной и той же линии (с одной и той же полосой пропускания) добиваться более высокой скорости передачи данных. Кроме того, часто к спектру сигнала предъявляется требование отсутствия постоянной составляющей, то есть наличия постоянного тока между передатчиком и приемником. В частности, применение различных трансформаторных схем гальванической развязки препятствует прохождению постоянного тока.

Синхронизация передатчика и приемника нужна для того, чтобы приемник точно знал, в какой момент времени необходимо считывать новую информацию с линии связи. Эта проблема в сетях решается сложнее, чем при обмене данными между близко расположенными устройствами, например между блоками внутри компьютера или же между компьютером и принтером. На небольших расстояниях хорошо работает схема, основанная на отдельной тактирующей линии связи (рис.4), так что информация снимается с линии данных только в момент прихода тактового импульса. В сетях использование этой схемы вызывает трудности из-за неоднородности характеристик проводников в кабелях. На больших расстояниях неравномерность скорости распространения сигнала может привести к тому, что тактовый импульс придет настолько позже или раньше соответствующего сигнала данных, что бит данных будет пропущен или считан повторно. Другой причиной, по которой в сетях отказываются от использования тактирующих импульсов, является экономия проводников в дорогостоящих кабелях.

Поэтому 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.

Рис.4. Синхронизация приемника и передатчика на небольших расстояниях

 

Распознавание и коррекцию искаженных данных сложно осуществить средствами физического уровня, поэтому чаще всего эту работу берут на себя протоколы, лежащие выше: канальный, сетевой, транспортный или прикладной. С другой стороны, распознавание ошибок на физическом уровне экономит время, так как приемник не ждет полного помещения кадра в буфер, а отбраковывает его сразу при распознавании ошибочных бит внутри кадра.

 

Требования, предъявляемые к методам кодирования, являются взаимно противоречивыми, поэтому каждый из рассматриваемых ниже методов цифрового кодирования обладает своими преимуществами и своими недостатками по сравнению с другими.

 

Манчестерский код

В локальных сетях до недавнего времени самым распространенным методом кодирования был так называемый манчестерский код (рис.5, г). Он применяется в ЛВС Ethernet и Token Ring.

В манчестерском коде для кодирования единиц и нулей используется перепад потенциала, то есть фронт импульса. При манчестерском кодировании каждый такт делится на две части. Информация кодируется перепадами потенциала, происходящими в середине каждого такта. Единица кодируется перепадом от низкого уровня сигнала к высокому, а ноль – обратным перепадом. В начале каждого такта может происходить служебный перепад сигнала, если нужно представить несколько единиц или нулей подряд.

Достоинства:

· отличные самосинхронизирующие свойства, так как сигнал изменяется, по крайней мере, один раз за такт передачи одного бита данных;

· наличие только двух уровней потенциала;

· полоса пропускания манчестерского кода у же, чем у биполярного импульсного;

· нет постоянной составляющей;

· в среднем спектр манчестерского кода в полтора раза у же, чем у биполярного импульсного кода, а основная гармоника колеблется вблизи значения 3С/4; основная гармоника в худшем случае (при передаче последовательности единиц или нулей) имеет частоту С Гц, а в лучшем (при передаче чередующихся единиц и нулей) она равна С/2 Гц, как и у кодов AMI или NRZ.

Недостатки:

· спектр сигнала шире, чем у кода NRZ и кода AMI.

 

Пятиуровневый код PAM-5

В пятиуровневом коде PAM-5используется 5 уровней амплитуды и двухбитовое кодирование (рис.6). Для каждой комбинации задается уровень напряжения. При двухбитовом кодировании для передачи информации необходимо четыре уровня: 00, 01, 10, 11. Передача двух битов одновременно обеспечивает уменьшение в два раза частоты изменения сигнала.

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

Для этого способа кодирования требуются дополнительные меры по борьбе с длинными последовательностями одинаковых пар бит, так как в этом случае сигнал превращается в постоянную составляющую. При случайном чередовании бит спектр сигнала в два раза уже, чем у кода NRZ, так как при той же битовой скорости длительность такта увеличивается в два раза. Таким образом, с помощью кода РАМ-5 можно по одной и той же линии передавать данные в два раза быстрее, чем с помощью кода AMI или NRZI. Однако для его реализации мощность передатчика должна быть выше, чтобы четыре уровня четко различались приемником на фоне помех.

Код PAM-5 используется в протоколе 1000Base-T (Gigabit Ethernet). Данный протокол обеспечивает передачу данных со скоростью 1000 Мбит/с при ширине спектра сигнала всего 125 МГц. Это обеспечивается за счет передачи данных по четырем парам одновременно. Следовательно, каждая пара должна обеспечить скорость 250 Мбит/с. Максимальная частота спектра несущей при передаче двухбитовых символов кода PAM-5 составляет 62,5 МГц. С учетом передачи первой гармоники протоколу 1000Base-T требуется полоса частот до 125 МГц.

 

MLT-3
PAM 5

 

Рис.6. Методы кодирования MLT-3 и PAM-5

Логическое кодирование

Логическое кодирование используется для улучшения потенциальных кодов типа AMI, NRZI или MLT-3. Логическое кодирование должно заменять длинные последовательности бит, приводящие к постоянному потенциалу, вкраплениями единиц.

Для улучшения потенциальных кодов обычно используются два подхода.

1. Избыточное кодирование, основанное на добавлении в исходный код избыточных бит, содержащих логические единицы.

Достоинства:

· код становится самосинхронизирующимся, так как прерываются длинные последовательности нулей;

· исчезает постоянная составляющая, а значит, сужается спектр сигнала

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.

2. Подход, основанный на предварительном «перемешивании» исходной информации таким образом, чтобы исключить длинные последовательности нулей или единиц. Устройства, выполняющие такую операцию, называются скремблерами (scramble – свалка, беспорядочная сборка). При скремблировании используется известный алгоритм. Приемник, получив двоичные данные, передает их на дескремблер, который восстанавливает исходную последовательность бит.

Достоинства те же, что и при избыточном кодировании. При этом, поскольку отсутствуют избыточные биты, не уменьшается полезная пропускная способность канала связи.

Недостатки:

· дополнительные затраты в узлах сети на реализацию алгоритма скремблирования-дескремблирования;

· нет полной гарантии того, что для любых данных удастся исключить длинные последовательности нулей или единиц.

 

Оба подхода относятся к логическому, а не физическому кодированию, так как форму сигналов на линии они не определяют.

 

Избыточные коды

Избыточные коды основаны на разбиении исходной последовательности бит на порции, которые часто называют символами. Каждый исходный символ заменяется на новый, который имеет большее количество бит, чем исходный. Например, логический код 4В/5В, используемый в технологиях FDDI и Fast Ethernet, заменяет исходные символы длиной в 4 бита на символы длиной в 5 бит. Так как результирующие символы содержат избыточные биты, то общее количество битовых комбинаций в них больше, чем в исходных. Так, в коде 4В/5В результирующие символы могут содержать 32 битовые комбинации, в то время как исходные символы – только 16. Поэтому в результирующем коде можно отобрать 16 таких комбинаций, которые не содержат большого количества нулей, а остальные считать запрещенными кодами (code violation). Кроме устранения постоянной составляющей и придания коду свойства самосинхронизации, избыточные коды позволяют приемнику распознавать искаженные биты. Если приемник принимает запрещенный код, значит, на линии произошло искажение сигнала.

Соответствие исходных и результирующих кодов 4В/5В представлено в таблице.

 

Исходный код	Результирующий код	Исходный код	Результирующий код

 

Код 4В/5В передается по линии с помощью физического кодирования по одному из методов потенциального кодирования, чувствительному только к длинным последовательностям нулей. Символы кода 4В/5В длиной 5 бит гарантируют, что при любом их сочетании на линии не могут встретиться более трех нулей подряд.

Буква В в названии кода означает, что элементарный сигнал имеет 2 состояния (от английского binary – двоичный). Имеются также коды и с тремя состояниями сигнала, например, в коде 8В/6Т для кодирования 8 бит исходной информации используется код из 6 сигналов, каждый из которых имеет три состояния. Избыточность кода 8В/6Т выше, чем кода 4В/5В, так как на 256 исходных кодов приходится 3⁶ = 729 результирующих символов.

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. Так, для передачи кодов 4В/5В со скоростью 100 Мбит/с передатчик должен работать с тактовой частотой 125 МГц. При этом спектр сигнала на линии расширяется по сравнению со случаем, когда по линии передается чистый, не избыточный код. Тем не менее, спектр избыточного потенциального кода оказывается уже спектра манчестерского кода, что оправдывает дополнительный этап логического кодирования, а также работу приемника и передатчика на повышенной тактовой частоте.

 

Скремблирование

Перемешивание данных скремблером перед передачей их в линию с помощью потенциального кода является другим способом логического кодирования.

Методы скремблирования заключаются в побитном вычислении результирующего кода на основании бит исходного кода и полученных в предыдущих тактах бит результирующего кода. Например, скремблер может реализовывать следующее соотношение:

B_i = A_i Å B_i-3 Å B_i-5,

 

где B_i – двоичная цифра результирующего кода, полученная на i-м такте работы скремблера;

A_i – двоичная цифра исходного кода, поступающая на i -м такте на вход скремблера;

B_i-3 и B_i-5 – двоичные цифры результирующего кода, полученные на предыдущих тактах работы скремблера, соответственно на 3 и на 5 тактов ранее текущего такта;

Å – операция исключающего ИЛИ (сложение по модулю 2).

Например, для исходной последовательности 110110000001 скремблер даст следующий результирующий код:

 

B₁ = A₁ = 1;

B₂ = A₂ = 1;

B₃ = A₃ = 0;

B₄ = A₄ Å B₁ = 1 Å 1 = 0;

B₅ = A₅ Å B₂ = 1 Å 1 = 0;

B₆ = A₆ Å B₃ Å B₁ = 0 Å 0 Å 1 = 1;

B₇ = A₇ Å B₄ Å B₂ = 0 Å 0 Å 1 = 1;

B₈ = A₈ Å B₅ Å B₃ = 0 Å 0 Å 0 = 0;

B₉ = A₉ Å B₆ Å B₄ = 0 Å 1 Å 0 = 1;

B₁₀ = A₁₀ Å B₇ Å B₅ = 0 Å 1 Å 0 = 1;

B₁₁ = A₁₁ Å B₈ Å B₆ = 0 Å 0 Å 1 = 1;

B₁₂ = A₁₂ Å B₉ Å B₇ = 1 Å 1 Å 1 = 1.

 

Таким образом, на выходе скремблера появится последовательность 110001101111, в которой нет последовательности из шести нулей, присутствовавшей в исходном коде.

После получения результирующей последовательности приемник передаст ее дескремблеру, который восстанавливает исходную последовательность на основании обратного соотношения:

 

C_i = B_i Å B_i-3 Å B_i-5 = (A_i Å B_i-3 Å B_i-5) Å B_i-3 Å B_i-5 = A_i.

 

Различные алгоритмы скремблирования отличаются количеством слагаемых, дающих цифру результирующего кода и сдвигом между слагаемыми. Так, в сетях ISDN при передаче данных от сети к абоненту используется преобразование со сдвигами в 5 и 23 позиции, а при передаче данных от абонента в сеть – со сдвигами 18 и 23 позиции.

Существуют и более простые методы борьбы с последовательностями единиц, также относимые к классу скремблирования.

Для улучшения кода Bipolar AMI используются два метода, основанные на искусственном искажении последовательности нулей запрещенными символами.

 

На рис.7 показано использование методов B8ZS (Bipolar with 8-Zeros Substitution) и HDB3 (High-Density Bipolar 3-Zeros) для корректировки кода AMI. Исходный код состоит из двух длинных последовательностей нулей: в первом случае – из 8, а во втором – из 5.

Код B8ZS исправляет только последовательности, состоящие из 8 нулей. Для этого он после первых трех нулей вместо оставшихся пяти нулей вставляет пять цифр: V-1^*-0-V-1^*. Здесь V обозначает сигнал единицы, запрещенной для данного такта полярности, то есть сигнал, не изменяющий полярность предыдущей единицы, 1^* - сигнал единицы корректной полярности, а знак звездочки отмечает тот факт, что в исходном коде в этом такте была не единица, а ноль. В результате на 8 тактах приемник наблюдает 2 искажения – очень маловероятно, что это случилось из-за шума на линии или других сбоев передачи. Поэтому приемник считает такие нарушения кодировкой 8 последовательных нулей и после приема заменяет их на исходные 8 нулей. Код B8ZS построен так, что его постоянная составляющая равна нулю при любых последовательностях двоичных цифр.

 

Рис.7. Коды B8ZS и HDB3. V - сигнал единицы запрещенной полярности;

1^* - сигнал единицы корректной полярности, но заменивший 0 в исходном коде

 

Код HDB3 исправляет любые четыре подряд идущих нуля в исходной последовательности. Правила формирования кода HDB3 более сложные, чем кода B8ZS. Каждые четыре нуля заменяются четырьмя сигналами, в которых имеется один сигнал V. Для подавления постоянной составляющей полярность сигнала V чередуется при последовательных заменах. Кроме того, для замены используются два образца четырехтактовых кодов. Если перед заменой исходный код содержал нечетное число единиц, то используется последовательность 000V, а если число единиц было четным - последовательность 1*00V.

 

Улучшенные потенциальные коды обладают достаточно узкой полосой пропускания для любых последовательностей единиц и нулей, которые встречаются в передаваемых данных. Этим объясняется применение потенциальных избыточных и скремблированных кодов в современных технологиях, подобных FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, ISDN и т.п. вместо манчестерского и биполярного импульсного кодирования.

 

Литература

1. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: Учебник для вузов. 2-е изд. / В.Г.Олифер, Н.А.Олифер. – СПб: Питер, 2003. – 864 с.: ил.

 

Методы модуляции и кодирования данных

(Теоретический материал для выполнения домашнего задания)

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

Введение. 2

1. Аналоговая модуляция. 3

1.1. Методы аналоговой модуляции. 3

1.2. Спектр модулированного сигнала. 4

2. Цифровое кодирование. 6

2.1. Требования к методам цифрового кодирования. 6

2.2. Потенциальный код без возврата к нулю (NRZ) 7

2.3. Биполярный импульсный код (RZ) 8

2.4. Метод биполярного кодирования с альтернативной инверсией (AMI) 8

2.5. Потенциальный код с инверсией при единице (NRZI) 9

2.6. Манчестерский код. 9

2.7. Код трехуровневой передачи MLT-3. 10

2.8. Пятиуровневый код PAM-5. 10

3. Логическое кодирование. 11

3.1. Избыточные коды.. 12

3.2. Скремблирование. 13

Литература. 15

 

 

Введение

Процесс представления дискретных данных в виде физических сигналов для их передачи по каналам связи называется физическим кодированием.

Основные типы физического кодирования:

· на основе непрерывного (аналогового) синусоидального несущего сигнала (модуляция или аналоговая модуляция);

· на основе последовательности прямоугольных импульсов (цифровое кодирование).

Процесс представления аналоговых данных в виде физических дискретных (цифровых) сигналов для их передачи по каналам связи называется цифровой (дискретной) или импульсной модуляцией.

 

Аналоговая модуляция

Аналоговая модуляция применяется для передачи дискретных данных в виде непрерывных сигналов по каналам с узкой полосой частот, например по каналам тональной частоты (ТЧ) в телефонных сетях с полосой пропускания 3100 Гц. Строгое ограничение полосы пропускания тонального канала связано с использованием аппаратуры уплотнения и коммутации каналов в телефонных сетях и реализуется с помощью фильтров, отсекающих частоты менее f_н=300 Гц и более f_в=3400 Гц.

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

 

Методы аналоговой модуляции

Аналоговая модуляция - способ представления дискретных (цифровых) данных в виде непрерывного синусоидального сигнала (несущей).

В простейшем случае двоичные данные могут быть представлены потенциалами высокого уровня для «1» и потенциалами низкого уровня для «0» (рис.1,а). Такой способ кодирования называется потенциальным и используется обычно при передаче данных между блоками компьютера.

Основные методы аналоговой модуляции (рис.1):

· амплитудная модуляция (рис.1,б): для представления «1» и «0» используются разные уровни амплитуды несущей; из-за низкой помехоустойчивости этот способ на практике обычно применяется в сочетании с другими видами модуляции, например фазовой модуляцией;

· частотная модуляция (рис.1,в): значения «0» и «1» передаются синусоидами с различной частотой – f₀ и f₁; этот способ модуляции прост в реализации и обычно применяется в низкоскоростных модемах;

· фазовая модуляция (рис.1,г): значениям «0» и «1» соответствуют синусоиды одинаковой частоты, но с различной фазой, например 0 и 180 градусов.

В скоростных модемах обычно используются комбинированные методы модуляции, например амплитудная модуляция в сочетании с фазовой.

 

Рис.1. Методы аналоговой модуляции