ОКР Моделирование
.pdf
Основные этапы обработки сообщения
На рис. 3.2 показаны основные этапы обработки сообщения в телекоммуникационной системе.
1.Источник сообщений вырабатывает информационный сигнал для определенного получателя. Этот сигнал может быть:
o Аналоговым (например, речь).
oЦифровым (например, последовательность данных в двоичном коде).
2.Сигнал обычно представлен в основной полосе частот в виде уровня напряжения.
Рис. 3.2. Система связи
Преобразование и кодирование сигнала
Преобразование аналогового сигнала в цифровую форму
Аналоговые сигналы до передачи через канал связи необходимо преобразовать в цифровую форму. Для этого применяется квантование и дискретизация. Хотя в процессе преобразования может теряться часть информации, такие меры позволяют значительно снизить влияние помех на передаваемый сигнал.
Кодирование данных
Для введения избыточности в поток цифровых данных используется кодер. Избыточность обеспечивает исправление ошибок на приемной стороне. При использовании избыточного кодирования применяются различные методы, обеспечивающие надежную передачу.
Модуляция и передача сигнала
В зависимости от типа информационного сигнала и специфики среды передачи используют различные методы модуляции. Процесс модуляции сводится к определенной методике представления информационного сигнала в физической форме для передачи на приемник.
После модуляции сигнал поступает через среду передачи (например, медный провод, оптический кабель или радиоканал) к получателю сообщения. Все каналы связи в определенной форме искажают исходный сигнал, что важно учитывать при математическом моделировании и анализе таких искажений.
Демодуляция и декодирование сигнала
Когда переданный сигнал поступает в приемник получателя сообщения, он подвергается процессу демодуляции. Демодуляция — это процесс извлечения первоначального информационного сигнала из модулированного сигнала. Она также включает операции, связанные с синхронизацией сигнала, например, с применением схем фазовой синхронизации для достижения когерентности между поступающим сигналом и гетеродином получателя.
Если на передающей стороне использовалось кодирование данных, на приемной стороне необходимо выполнить процесс декодирования, восстанавливая исходное состояние сигнала.
Восстановление исходного сигнала
Окончательное восстановление исходного сигнала осуществляется в выходном модуле приемника, который передает восстановленный сигнал получателю.
Проблемы при передаче сигналов по линиям связи
Даже при рассмотрении простейшей сети, состоящей из двух компьютеров, можно выявить многие проблемы, присущие любой компьютерной сети. Важной проблемой является
физическая передача сигналов по линиям связи. Эти проблемы необходимо решать для того, чтобы обеспечить бесперебойную связь.
23.Модуляция света.
Модуляция света применяется для передачи информации с использованием электромагнитных волн в оптическом диапазоне, который включает видимый свет, ультрафиолетовое и инфракрасное излучение. Этот процесс включает изменение различных характеристик световых колебаний, таких как амплитуда, фаза, частота или поляризация. В конечном итоге эти изменения влияют на
гармонический состав излучения.
Модуляция света имеет ряд преимуществ. Одним из главных факторов, объясняющих ее важность, является высокая частота колебаний света (от 1015 до 1016 Гц для видимого света и от 1012 до 1020 Гц для всего оптического диапазона), что дает возможность передавать большие объемы информации. С увеличением частоты несущих колебаний увеличивается и ширина полосы частот для модулирующих сигналов. Таким образом, модуляция света становится эффективным методом для
высокоскоростной передачи данных.
В ряде технических применений частота модулирующего сигнала
значительно меньше частоты используемого оптического излучения, и изменения гармонического состава излучения оказываются несущественными. В таких случаях модулируются только амплитудные характеристики света, что на практике часто реализуется в виде
световой сигнализации с прерыванием потока света.
Модуляция света может быть внутренней (осуществляемой непосредственно в источнике излучения) и внешней (с использованием специализированных устройств — модуляторов света). Внешняя модуляция может включать различные типы модуляторов, например, механические устройства, которые прерывают световой поток на заданные интервалы времени, или полупроводниковые модуляторы, которые изменяют поглощение света в зависимости от внешних воздействий, таких как изменение напряжения или тока.
Приёмники света реагируют только на изменения интенсивности света, что влечет необходимость преобразования других видов модуляции (частотной, фазовой, поляризационной) в амплитудную модуляцию. Это можно сделать либо непосредственно в модуляторе, либо через преобразование сигнала перед фотоприемником с использованием
гетеродинного приема.
Кроме того, важно учитывать эффективность модуляторов света. Механические модуляторы работают на частотах до 107 Гц и имеют
высокую прозрачность и глубину модуляции, но не могут быстро изменять частоту. Полупроводниковые модуляторы могут работать на более высоких частотах (до 1010—1011 Гц), но их эффективность и
глубина модуляции ограничены из-за значительного поглощения света в полупроводниках.
С появлением лазеров, которые обладают высокой монохроматичностью и малой расходимостью, стало возможным создание эффективных модуляторов с использованием оптического излучения. Лазеры позволяют применять методы внешней модуляции для внутренней модуляции, что значительно расширяет возможности модуляции света.
Важной проблемой при передаче данных является синхронизация между передатчиком и приемником. Внутри одного компьютера эта задача решается через общий тактовый генератор, но при взаимодействии между компьютерами могут возникать проблемы. Для их решения используются различные способы синхронизации, такие как обмен
синхроимпульсами или использование кодов с характерными импульсами.
24.Структура модема. Модемы для физических соединительных линий. Модемы для коммутируемых телефонных каналов.
Задачи надежного обмена двоичными сигналами, представленными соответствующими электромагнитными сигналами, в вычислительных сетях решает определенный класс оборудования. В локальных сетях это сетевые адаптеры, которые рассчитаны, как правило, на работу с определенной передающей средой — коаксиальным кабелем, витой парой, оптоволокном и т. п.
В глобальных сетях — аппаратура передачи данных, к которой относятся, например,
устройства, выполняющие модуляцию и демодуляцию дискретных сигналов — модемы.
Это оборудование кодирует и декодирует каждый информационный бит, синхронизирует передачу электромагнитных сигналов по линиям связи, проверяет правильность передачи по контрольной сумме и может выполнять некоторые другие операции.
Структура модема
Структура модема включает (рис. 3.3):
Адаптеры портов канального и DTE-DCE интерфейсов
Универсальный процессор PU
Сигнальный процессор DSP
Модемный процессор
Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ, ROM)
Постоянно энергонезависимое перепрограммируемое устройство
(ППЗУ, EEPROM)
Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ, RAM)
Индикатор состояния модема
Порт интерфейса DTE-DCE обеспечивает взаимодействие модема с DTE, а порт канального интерфейса согласует электрические параметры с используемым каналом связи. Канал может быть аналоговым или цифровым.
Универсальный процессор PU выполняет функции управления взаимодействием с DTE и индикатором состояния модема. Именно он реализует посылаемые DTE команды и управляет работой остальных устройств модема. Он также может производить операции сжатия/расширения данных.
Интеллектуальные возможности модема определяются в основном типом используемого универсального процессора PU и микропрограммой управления модема, хранящейся в ROM. Замена или перепрограммирование ROM позволяет существенно изменить его возможности, обеспечить поддержку новых протоколов или сервисных функций, например
автоматическое определение номера (АОН) вызывающего абонента и др.
Энергонезависимая память EEPROM позволяет сохранить состояния устройств модема на время его выключения. Оперативное запоминающее устройство RAM используется для временного хранения данных и выполнения промежуточных вычислений как универсальным PU, так и цифровым сигнальным процессором DSP.
На сигнальный процессор DSP возлагаются задачи по реализации основных функций (модуляции/демодуляции, кодирования/декодирования, скремблирования и др.). В некоторых случаях функции модуляции-демодуляции выполняются модемным процессором. Таким образом, основные функции, связанные с обработкой сигналов, реализуются цифровым сигнальным процессором, модемным процессором и собственно канальным интерфейсом.
Виды модемов
1. Модемы для физических соединительных линий
Основное отличие этих модемов от модемов других типов состоит в том, что полоса пропускания физических линий не ограничена значением 3,1 кГц, характерным для КТСОП. Однако она является ограниченной и зависит от типа передающей среды и ее длины.
С точки зрения используемых для передачи сигналов модемы для физических линий могут быть разделены на:
1.Модемы низкого уровня или линейные драйверы (модемы на короткие расстояния), использующие для передачи цифровые сигналы.
2.Модемы основной полосы, в которых применяются методы модуляции, аналогичные применяемым в модемах для КТСОП.
Вмодемах первой группы обычно используются цифровые методы биимпульсной передачи, позволяющие формировать импульсные сигналы без постоянной составляющей и часто занимающие более узкую полосу частот, чем исходная цифровая последовательность.
Вмодемах второй группы часто применяются различные виды квадратурной амплитудной модуляции, позволяющие радикально сократить требуемую для передачи полосу частот.
2. Модемы для коммутируемых телефонных каналов
Большинство модемов обеспечивают синхронную передачу данных по каналу связи. В общем случае синхронный модем содержит:
Передатчик
Приемник
Компенсатор электрического эха
Устройство управления
Источник питания
Устройство управления — универсальный микропроцессор, обеспечивающий интеллектуальный интерфейс с DTE и осуществляющий управление работой передатчика, приемника и эхо-компенсатора. Эхо-компенсатор предназначен для ослабления мешающего влияния электрического эха (собственного отраженного сигнала в канале связи) на прием сигналов от удаленного модема.
25.Модемы для цифровых систем передачи.
Они напоминают модемы низкого уровня, однако в отличие от них должны обеспечивать возможность подключения к стандартным цифровым каналам и поддерживать функции соответствующих канальных интерфейсов.
Для передачи данных по цифровым линиям требуется выполнить определенные преобразования исходной последовательности — осуществить линейное кодирование или кодирование для линии передачи. Рассмотрим, для чего и как оно осуществляется.
Данные, поступающие от ООД, уже являются цифровыми, представленными в униполярном коде или биполярном коде без возвращения к нулю (NRZ) (рис. 3.5).
При передаче данных на большие расстояния с использованием NRZ возникают следующие проблемы:
1.С течением времени нарастает постоянный ток, блокируемый некоторыми устройствами цифрового тракта, например, трансформаторами, что приводит к искажению передаваемых импульсов.
2.Передача длинных серий нулей или единиц приводит к нарушению правильной работы устройств синхронизации на приеме.
3.Отсутствует возможность оперативного контроля ошибок на уровне физического канала.
Для решения этих проблем и предназначено линейное кодирование. Параметры сигнала, получаемого после линейного кодирования, должны быть согласованы с характеристиками используемого цифрового канала и отвечать следующим требованиям:
1.В энергетическом спектре линейного сигнала должна отсутствовать постоянная составляющая, что позволяет повысить либо верность, либо дальность передачи.
2.Структура линейного сигнала должна обеспечивать возможность надежного
выделения тактовой частоты на приемной стороне.
3.Линейный код должен обеспечивать возможность оперативного контроля над ошибками на уровне физической линии.
4.Линейные кодер-декодер должны иметь достаточно простую техническую реализацию.
Формирование требуемого энергетического спектра может быть осуществлено соответствующим изменением структуры импульсной последовательности и выбором нужной формы импульсов. Например, даже сокращение длительности импульсов в два раза
(т.е. использование биимпульсного кода с возвратом к нулю (RZ)) вдвое уменьшает уровень постоянной составляющей и увеличивает уровень тактовой составляющей в спектре такого сигнала.
Наиболее широкое распространение получили двухуровневые линейные коды с преобразованием одного двухуровневого символа в группу из двух двухуровневых символов. К таким кодам относятся коды Манчестер, DMI, CMI, NEW, код Миллера, код отечественного стыка С1-И или С1-ФЛ-БИ и ряд других.
Рассмотрим код Манчестер (рис. 3.5). Он характеризуется тем, что:
«1» исходного цифрового сигнала передается нулевым импульсом в первом полутактовом интервале и единичным — во втором (так называемый биимпульс 01).
Для символа «0» исходного сигнала принимается обратный порядок чередования импульсов (так называемый биимпульс 10).
Аналогичный код с обратным соответствием называется кодом Манчестер 2. Код Манчестер удовлетворяет всем названным ранее требованиям. Действительно, поскольку в исходных