Страница 50 из 64
В цифровой модуляции передача в полосе пропускания достигается, регулируя или модулируя сигнал несущей, которая находится в полосе пропускания. Мы можем модулировать амплитуду, частоту или фазу сигнала несущей. Каждый из этих методов имеет соответствующее название. В ASK (Amplitude Shift Keying, амплитудная манипуляция), чтобы представить 0 и 1, используются две различные амплитуды. Пример с ненулевым и нулевым уровнем показан на рис. 2.18, б. Для представления большего числа символов может использоваться большее число уровней. Аналогично, при FSK (Frequency Shift Keying, частотная манипуляция) используется два или несколько различных тона. Пример на рис. 2.18, в использует только две частоты. В самой простой форме PSK (Phase Shift Keying, фазовая манипуляция) несущая систематически подворачивается на 0 или 180 градусов через определенные интервалы времени. Поскольку используются две фазы, этот вид носит название BPSK (Binary Phase Shift Keying, бинарная фазовая манипуляция). «Бинарный» здесь означает два символа, а не то, что символы представляют 2 бита. Пример показан на рис. 2.18, г. Улучшенный вариант, который использует полосу канала более эффективно, состоит в том, чтобы использовать четыре сдвига, например на 45, 135, 225 или 315 градусов для передачи двух бит информации за один временной интервал. Этот вариант называют QPSK (Quadrature Phase Shift Keying, квадратурная фазовая манипуляция).
Рис. 2.18. Сигналы: а — бинарные; б — амплитудная манипуляция; в — фазовая манипуляция; г — квадратурная фазовая манипуляция
Мы можем объединить эти схемы и использовать больше уровней, чтобы передать больше битов за символ. Одновременно может быть промодулирована только либо
частота, либо фаза, потому что они связаны, частота является скоростью изменения фазы во времени. Обычно комбинируются амплитудная и фазовая модуляция. На рис. 2.19 показана три примера. В каждом примере точки показывают комбинации амплитуды фазы каждого символа. На рис. 2.19, а изображены точки, расположенные под углами 45, 135, 225 и 315 градусов, с постоянным уровнем амплитуды (это видно по расстоянию до них от начала координат. Фаза этих точек равна углу, который линия, проведенная через точку и начало координат, составляет с положительным направлением горизонтальной оси. Амплитуда точки — расстояние от начала координат. Этот рисунок — представление QPSK.
Такие диаграммы называются диаграммами созвездий. На рис. 2.19, б изображен другой комбинированный метод модуляции, с более плотным сигнальным созвездием, использующий 16 комбинаций амплитудных и фазовых сдвигов. С его помощью можно передавать уже 4 бита на символ. Такая схема называется квадратурной амплитудной модуляцией, или QAM-16 (Quadrature Amplitude Modulation). На рис. 2.23, в изображена еще более плотная схема модуляции. С помощью 64 комбинаций можно в один символ поместить 6 бит. Метод называется QAM-64. Используются схемы QAM и более высоких порядков. Как вы можете предположить из этих диаграмм, легче создать электронику, чтобы произвести символы как комбинацию значений на каждой оси, чем как комбинацию значений фазы и амплитуды. Именно поэтому образцы похожи на квадраты, а не концентрические круги.
Рис. 2.19. Модуляция: а — QPSK; б — QAM-16; в — QAM-64
Созвездия, которые мы видели до сих пор, не показывают, как биты назначаются символам. При этом важно, чтобы небольшой скачок шума в приемнике не приводил ко многим битовым ошибкам. Это могло бы произойти, если бы мы назначали последовательные битовые значения смежным символам. Используя, например, QAM-16, когда один символ — 0111 и соседний символ — 1000, если приемник по ошибке выбирает смежный символ, все биты будут неправильными. Лучшее решение состоит в том, чтобы отобразить биты на символы так, чтобы смежные символы отличались только по одной позиции двоичного разряда. Это отображение называют кодом Грэя. Рисунок 2.20 показывает созвездие QAM-16, к которому применено кодирование Грэя. Теперь, если приемник расшифрует символ ошибочно, он сделает только одну битовую ошибку в ожидаемом случае, что расшифрованный символ близок к переданному символу.
Рис. 2.20. QAM-16 с применением кодирования Грея
2.5.3. Частотное уплотнение
Схемы модуляции, которые мы рассмотрели, позволяют посылать один сигнал для передачи данных по проводу или беспроводному каналу. Однако экономия ресурсов играет важную роль в сетях передачи данных. Стоимость прокладки и обслуживания магистрали с высокой пропускной способностью и низкокачественной линии практически одна и та же (то есть львиная доля этой стоимости уходит на рытье траншей, а не на сам медный или оптоволоконный кабель). Вследствие этого были развиты схемы мультиплексирования для совместно использования линий многими сигналами.
FDM (Frequency Division Multiplexing, мультиплексирование с разделением частоты, частотное уплотнение) использует передачу в полосе пропускания, чтобы совместно использовать канал. Спектр делится на диапазоны частот, каждый пользователь получает исключительное владение некоторой полосой, в которой он может послать свой сигнал. AM-радиовещание иллюстрирует FDM. Выделенный спектр составляет приблизительно 1 МГц, примерно от 500 до 1500 кГц. Другие частоты выделены другим логическим каналам (станциям), каждая станция действует в части спектра, с межканальным разделением, достаточно большим, чтобы предотвратить помехи.
Более подробный пример на рис. 2.21 показывает, как три речевых телефонных канала могут объединяться в одну линию с использованием частотного уплотнения. Фильтры ограничивают используемую полосу частот примерно 3100 Гц на каждый речевой канал. Когда одновременно мультиплексируется множество каналов, на каждый выделяется полоса 4000 Гц. Избыток называют защитной полосой. Она сохраняет каналы хорошо отделенными. Для начала сигналы повышаются по частоте, причем для разных каналов величины сдвигов разные. После этого их можно суммировать, поскольку каждый канал теперь сдвинут в свою область спектра. Заметьте, что даже при том, что между смежными каналами благодаря защитным полосам есть промежутки, имеется некоторое наложение. Это связано с тем, что у реальных фильтров нет идеального резкого края. Это означает, что сильный всплеск в одном канале может ощущаться как нетермальный шум в соседнем канале.
Рис. 2.21. Частотное уплотнение: а — исходные спектры сигналов; б — спектры, сдвинутые по частоте; в — уплотненный канал
Эта схема много лет использовалась для мультиплексирования звонков в телефонной сети, но теперь предпочтение отдается мультиплексированию по времени. Однако FDM продолжает использоваться в телефонных сетях, а также в сотовых, наземных радио и спутниковых сетях на более высоком уровне разбиения.
При отправке цифровых данных возможно эффективно разделить спектр, не используя защитные полосы. В OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, мультиплексирование с ортогональным частотным разделением) полоса канала разделена на многие поднесущие, которые независимо передают данные (например, с квадратурной амплитудной модуляцией). Поднесущие плотно упакованы вместе в частотной области. Таким образом, сигналы от каждой поднесущей простираются в смежные. Однако, как видно на рис. 2.22, частотная характеристика каждой поднесущей разработана так, чтобы в центре смежных поднесущих это был ноль. Поднесущая поэтому может быть выбрана в своей центральной частоте без помех от соседних. Чтобы это работало, необходим защитный интервал времени, чтобы повторить часть символьных сигналов во времени так, чтобы у них была желаемая частотная характеристика. Однако эти служебные издержки намного меньше, чем при большом количестве защитных полос.