Загальні теоретичні основи цифрових комунікацій

Проблема передачі інформації існувала давно, однак тривалий час були відсутні ефективні засоби передачі інформації. Тільки з початком використання цифрових переходів до передачі інформації ефективність засобів передачі інформації почала швидко покращуватись. Це сприяло швидкому розвитку таких засобів. У каналах зв’язку передаються, як правило, модульовані сигнали.

Модуляція дозволяє вирішити проблему узгодження частоти.

Модуляція використовується, як в класичних радіоканалах та і в сучасних системах передачі цифрової інформації, тобто в системах цифрової передачі інформації одночасно викори-стовується аналогові та цифрові засоби.

Основний користувач інформації – людина з точки зору засобів комунікації має аналогову природу.

Існує багато видів модуляції. До класичних видів відносяться частотна, фазова та їх комбінації. Це перейшло від аналогової техніки і було пов'язано з технічною простотою їх реалізації.

Однією з теоретичних основ для різних перетворень сигналів в каналах звя'зку є перемноження сигналів.

Якщо ми візьмемо для прикладу 2 сигнали , а другий сигнал

Із різними амплітудами та частотами, то при перемноженні їх отримаємо сигнали із двома частотами і

Ця властивість широко використовується при модуляції сигналів. Якщо маємо інформаційний сигнал в смузі частот 0-F_м і маємо сигнал несучої частоти f_н, то після перемноження цих двох сигналів отримаємо сигнали f_н+F_м f_н-F_м.

Для якісного передавання сигналів повинні біти зроблені спеціальні заходи для синхронізації несучих частот передавача та приймача.

Синхронізація є однією з найскладніших проблем засобів комунікації.

Перемноження частот може використовуватись при реалізації амплітудної, частотної або фазової модуляції.

У випадку амплітудної модуляції буде змінюватись амплітуда вихідного сигналу. Це забезпечує простоту отримання модулюючого сигналу на приймальній стороні де використовується схема детектора. На виході детектора формується сигнал пропорційний модулю сигнальної функції вхідного сигналу.

Головним недоліком методу амплітудної модуляції є можливість нелінійних спотворень через пере модуляції, коли амплітуда модулюючого сигналу є занадто великою у порівнянні із амплітудою несучої частоти.

При частотній і фазовій модуляціях амплітуда переданого сигналу залишається майже незмінною. Це включає нелінійні спотворення, пов’язані з широким динамічним амплітудним діапазоном.

На практиці часто використовується комбінація амплітудної і фазової модуляції, яка носить назву квадратурної модуляції.

Класична амплітудна, частотна та фазова модуляції дуже чутливі до нулів і завад на вході приймача. Для ефективної передачі інформації з такими модуляціями співвідношення сигнал-шум може бути всього на рівні 10-12dB. Вибір типу модуляції залежить від конкретної передачі і від характеристик каналу зв’язку в першу чергу такі, як смуга пропускання- послаблення сигналу.

Частота модуляції менш чутлива до амплітудних змін сигналів.

Практично в усіх системах передачі інформації на передавальній стороні використовується модулятор сигналу, а на приймальній стороні використовується демодулятор.

Оскільки в більшості систем передачі обмін інформації є двонаправлений, то такі пристрої як модулятор і демодулятор і об’єднуються в один пристрій, який називається модемом.

Для стандартизації модемів відповідно стандартизовується і способи модуляції ті способи можна подати таблицею з загальними особливостями цих стандартів:

1. FSK (Frequency Shift Keying)- це ступіньчасте перемикання частоти синусоїдального сигналу віж частоти f₁ при постійній амплітуді сигналу. Частоті f₁ ставиться у відповідність логічний ”0”, а частоті f₂ ставиться у відповідність ”1”.

2. BPSK (Binary Phose – Shift Keying) – ступіньчасте перемикання фази синусоїдального сигналу на при постійній амплітуді сигналу при цьому фазіставиться у відповідність логічний 0, а фазі- логічна 1.

3. DPSK (Different Phase – Shift Keying) при цьому способі змінюється фаза несучої частоти при постійній амплітуді та частоті. Це один із модифікацій перемикання фази при якій кодується змінна сигналу.

4. QAM – це комбінація амплітудної і фазової, модуляції, яка забезпечує можливість кодування 8 біт на бод.

5. QPSK – це квадратна фазова модуляція, яка використовує фіксовані значення фази:

Цей спосіб вимагає в 2 рази вужчу полосу частот у порівнянні з іншими фазовими способами модуляції і пому цей спосіб досить широко застосовується

6. TCM(Trellis Coded Modulation)

Із використанням надлишковості коли кожний бод має додатковий інформаційний біт, який дозволяє більш точно відновлювати інформаційну складову сигналу. Він використовується із QAM і забезпечує пониження вимог до відновлення сигналу/ шум на рівні 4-5dB.

В окремих пристроях можуть реалізовуватися декілька способів модуляції.

У 1984р. розроблялися вимоги до системи ISDN. Яка була створена в першу чергу із ініціативи англійської комунікаційної компанії.

В процесі створення ISDN(International System Digital Network) вирішені 2 основні проблеми:

1) Проблема була створювати систему здатну надати клієнтові канал з пропускною здатністю 64Кбіт/с або це відповідно 8біт на частоті 8kHz при цьому передбачалось можливість використовувати існуючу провідну мережу із пропускною здатністю 4kHz. Однак введення цього стандарту призводить до збільшення перехресних наведень, тобто до збільшення цього недоліку звичайні провідникові з’єднання почали змінюватись оптоволоконними лініями зв’язку .

2) Інтерфейс клієнта повинен був надати повний сектор послуг, зокрема такий інтерфейс повинен дозволяти підключення апаратів, файлів або комп’ютерів, що використовують загальну мережеву лінію.

Новий стандарт не повинен обмежувати клієнтові можливості використання декількох каналів в тому числі одночасно використовувати канали з смугою 8 та 4kHz.

З 1985р. почав розроблятися при широкосмугової версії ISDD. Коли було стандартизовано декілька діапазонів із різною пропускною здатністю в тому числі

1,544 Мбіт/с;

45-55Мбіт/с; 155Мбіт/с;

622Мбіт/с; 2,4Гбіт/с

На фізичному рівні в ISDN використовується кодова імпульсна модуляція із частотою 8kHz.

Це більше ніж у 2 рази від частоти 3,3kHz, яка відповідає смузі пропускання каналу для традиційної телефонної мережі.

Структура системної передачі вимагає наступні компоненти:

• на передаваній стороні – вхідний фільтр, на 3,4kHz, схема вибірки і запам’ятовування; аналого – цифровий перетворювач, вихід якого під’єднаний до цифрового інтерфейсу ISDN.

• - на приймальній стороні – вхід цифрового INDN з’єднаний з логарифмічним перетворювачем цифрового коду, вихід якого з’єднаний з ЦАП. На виході ЦАП стоїть вихідний фільтр з смугою 3,4kHz.

Цифровий метод передачі має наступні переваги:

а) висока надійність

Якщо шум нижче вхідного рівня, його вплив майже невідчутний можлива повторна передача повідомлення

б) відсутність залежності від природи джерела інформації

в) широкі можливості підвищення безпеки передачі інформації в першу чергу із використанням шифрування інформації.

г) незалежність від часу

Інформацію можна передати не обов’язково тоді, коли вона виникла, а коли готовий канал передачі інформації.

д) можливість застосування різних способів синхронізації передачі інформації, що є важливим фактором для засобів телекомунікації.

Імпульсне кодування передбачає кодування логічної “1”. Імпульсним сигналом наперед визначеної тривалості, а кодування логічного ”0” – відсутністю напруги лінії зв’язку кодування мулевим сигналом. Таке кодування має низьку завадостійкість і переважно використовується для передачі невеликої порції інформації в асинхронному режимі. Класичним прикладом такого кодування є асинхронний режим передачі інформації в інтерфейсі RS-232C, коли корисна інформація передається максимальним розміром у 8біт.

Більш завадостійким є дворівневе формування електричних сигналів, коли нулевий рівень використовується при відсутності електричних сигналів, а логічна “1” кодується формуванням електричного сигналу додатної полярності, а логічний “0” – формуванням сигналу від’ємної полярності.

Однак такий спосіб формування електричних сигналів складніший у реалізації оскільки фактично використовує 3 стани лінії зв’язку, що не є характерно для цифрових систем, які в основному працюють у двійковій системі числення. Суттєво простим є кодування інформації через перемикання напруги лінії зв’язку.

Перемикання сигналів може реалізовуватись або з логічними нулями або одиницями.

Однак такий спосіб має низькі показники надійності, коли один за одним кодується велика кількість однойменних бітів.

Одним з варіантів є використання манчестерського коду, який має добрі показники надійності та завадостійкості однак дещо складний в реалізації. Він передбачає кодування логічного 0 і 1 взаємопротилежним напрямом перемикання напруги у лінії зв’язку.

Цей код є одним з найстаріших. В ньому добре вирішена проблема синхронізації, однак смуга пропускання каналу тут використовується не оптимально.

На основі цих міркувань для забезпечення надійності достовірні передачі інформації розроблено декілька стандартів для формування електричних сигналів у каналах зв’язку.

Стандарт 1B2B при якому 1біт початкової послідовності інформації кодується за допомогою двох біт половинної тривалості (1/2 такта).

Стандарт B3ZC – це біполярний код із заміною послідовності біт із 3-х, 6-та чи 8-ми нулів на комбінацію із нулів та одиниць.

HDB2(3) – це біполярний код високої щільності 2-го або 3-го порядку.

Тут також послідовності з 3-х чи 4-х нулів заміняються на відповідні комбінації нулів та одиниць.

CMI – 2-х рівне вий двійковий код, коли використовується інверсія полярності для кожної логічної одиниці і ставиться у відповідність код 11 або 00 тривалістю пів такта, а для кожного логічного нуля сигнал перемикається посередині такту, тобто логічному нулю відповідає код 01 або 10 тривалістю пів такта. Це є модифікований код 1B2B.

Існуються і регіональні способи формування сигналів для ліній зв’язку.

В Німеччині – 4B3T, коли 4 двійкових розряди кодуються 3 циклічні коди.