Решение поставленной задачи

Для решения поставленной задачи было установлено ПО OSI Model Trainer версии 1.4.1 на виртуальную машину под управлением ОС Windows 11.

В разделе «Физ. лаборатория» были изучены основные предустановки сигналов, а также выполнены все задания модуля (рисунок 9)

Сигнал	Тип	Информационный?
Тон 440Гц	Аналоговый	Нет
AM-радио 1кГц	Аналоговый	Да, бесконечно много, но ограничено пределом Шеннона
FM-сигнал 2кГц	Аналоговый	Да, бесконечно много, но ограничено пределом Шеннона
FDM 3-channel	Аналоговый	Да, 3 бит в каждом состоянии
Аккорд 3 гармоники	Аналоговый	Да, бесконечно много, но ограничено пределом Шеннона
Прямоугольный импульс	Аналоговый	Да, 1 Бит
BPSK	Дискретный	Да, 1 Бит/символ
QPSK	Дискретный	Да, 2 Бит/символ
QAM-16	Дискретный	Да, 4 Бит/символ
Белый шум	Аналоговый	Нет
Розовый шум	Аналоговый	Нет

Таблица 1.

Рисунок 9. Успешно выполненные задания модуля

Задание 2

Рисунок 10. Исходная осциллограмма

При увеличении коэффициента глубины становятся более выраженными максимумы.

Рисунок 11. Сравнение осциллограмм с глубиной 0,5 0,8 1 1,3 (сверху- вниз)

Глубина модуляции – это отношение максимального отклонения амплитуды, несущей к самой амплитуде немодулированной несущей

При превышении коэффициента глубины модуляции будет эффект «перемодуляции» из-за которого приемник может неправильно декодировать сигнал.

Рисунок 12. Сравнение коэффициентов модуляции

Рисунок 13. Осциллограмма при DC=1 и глубине 0,8

При изменении значения DC смещения увеличивается мощность «несущего» сигнала.

DC-смещение – это добавление к информационному сигналу некоторого постоянного напряжения (уровня). В контексте амплитудной модуляции (АМ) он определяет наличие несущей частоты в спектре.

Боковых полос всего две (справа и слева от центральной). Малое количество боковых полос означает бОльшую эффективность сигнала, ведь при увеличении количества полос качество хоть и повысится, но нужно будет гораздо больше мощности.

Задание 5

Рисунок 14. Исходная осциллограмма приемника

При изменении BPSK на QAM-16 повышается плотность расположения точек «созвездия» и соответственно, из-за увеличения плотности, повышается влияние шумов на сигнал. Именно поэтому BER (bit error rate) увеличится при сохранении условий канала (WIFI 2,4 GHz 100m).

Рисунок 15. Диаграммы созвездий BPSK и QAM-16

Задание 6

Рисунок 16. Исходный сигнал

По какой-то причине OSI тренажер не дает добавить больше, чем 4 сигнала, поэтому мною было принято решение просто поменять последние 3 сигнала на 9f, 11f, 13f. Полученный результат получился похожим на какой-то шум. Возможно, это связано с тем, что программа не дает более 4 сигналов (начальные удалены)

Рисунок 17. Полученный результат

Рисунок 18. Исходный прямоугольный сигнал, скважность 50

Рисунок 19. Прямоугольный сигнал со скважностями 10, 20, 30, 40, 90, 100

Исследование передачи данных в разных средах

Рисунок 20. Загруженный файл

Рисунок 21. WIFI 2,4GHz 20m

Рисунок 22. WIFI 2,4GHz 30m

Рисунок 23. WIFI 2,4GHz 50m

При распространении сигнала примерно на 50метров потери в 5% появляются из-за того, что на таком расстоянии соотношение сигнал/шум уменьшается. Слишком много бит повреждено, следовательно, воспроизвести изображение корректно невозможно.

Теперь же в качестве источника данных будет использован текст.

Рисунок 24. WIFI 2,4GHz 30m

Поменяем WIFI 2,4GHz на WIFI 5GHz

Рисунок 25. WIFI 5GHz 50m

Из-за более высокой частоты сигнал становится с расстоянием слабее сильнее чем 2,4GHz. Оно и видно: BER ~ 33%

Попробуем передать текст. BER остался примерно таким же.

Рисунок 26. Текстовая передача WIFI 5GHz 50m

Теперь же в качестве канала используем Ethernet Cat6. При выборе расстояния сигнал сохраняется «отличным» вплоть до 350м, поскольку это передача по проводу. Если же поставить 400м, то передача будет выглядеть следующим образом:

Рисунок 27. Передача Ethernet Cat6 400m

Рисунок 28. Текст Ethernet cat6 400m

Провод показал себя гораздо лучше в плане дальности. Очевидно, что с увеличением расстояния в любом из каналов передачи, BER будет увеличиваться. Единственное отличие в том, что при передаче по проводу сигнал будет затухать гораздо дольше, чем при передачи по беспроводному сигналу.

Вывод

В ходе выполнения лабораторной работы были изучены общие принципы и закономерности передачи данных на физическом уровне модели взаимодействия открытых систем OSI. В рамках теоретического введения и практических манипуляций в ПО OSI Model Trainer версии 1.4.1 проанализированы основные среды распространения сигналов (кабельные и радиосреды).

На основании полученных результатов экспериментально подтверждено, что переход к многопозиционным видам модуляции (например, от BPSK к QAM-16) позволяет повысить информационную скорость за счет увеличения числа состояний сигнала, переносящих несколько бит данных одновременно. Однако при сохранении условий канала это ведет к росту плотности «созвездия», что повышает чувствительность к шумам и увеличивает коэффициент битовых ошибок (BER). Сравнительный анализ различных сред передачи показал, что проводные каналы (Ethernet Cat6) обладают значительно большей стабильностью и дальностью (до 350–400 м) по сравнению с беспроводными. В беспроводных сетях диапазон 5 ГГц демонстрирует более интенсивное затухание сигнала с увеличением расстояния по сравнению с 2,4 ГГц, что приводит к резкому росту BER (до ~33% на 50 метрах).

Выявлено, что при амплитудной модуляции увеличение коэффициента глубины модуляции делает максимумы более выраженными, однако превышение единичного значения вызывает эффект «перемодуляции», препятствующий корректному декодированию. Использование DC-смещения позволяет регулировать мощность несущей частоты в спектре АМ-сигнала.