8. Передавання двійкових сигналів через канали тональної частоти

Винахід обчислювальних машин незабаром привів до необхідності обміну інформацією між ними. Використання телеграфних ліній зв'язку обмежувало швидкість передавання, що поступово перестало задовольняти потреби, зважаючи на збільшення обсягу даних, що передаються.

Історично склалося так, що при виникненні проблеми організації зв'язку між віддаленими обчислювальними машинами вже існувала мережа телефонного зв'язку, який дозволяв досить швидко встановлювати електричний канал між двома географічно віддаленими точками.

Проте безпосереднє використання телефонного каналу для передавання дискретної інформації неможливе. Як зазначалося вище, спектр двійкових імпульсних сигналів містить у собі постійну складову або складові з частотами, близькими до нуля. Смуга пропускання телефонного каналу складає 3100 Гц і знизу обмежена частотою 300 Гц. Таким чином, для передавання спектра двійкового сигналу через телефонний канал його треба перетворити й "помістити" у смугу пропускання каналу зв'язку. Одночасно із завданням перенесення спектра виникають досить складні завдання підвищення інформаційної швидкості передавання й підвищення перешкодостійкості сигналів, що використовуються.

Завдання перенесення спектра розв’язується за допомогою модуляції несучих коливань. При цьому спектр двійкового сигналу переноситься в область несучої частоти. Якщо несуча частота розташована у смузі пропускання каналу зв'язку, то і спектр двійкового сигналу частково або повністю потрапить до смуги пропускання і буде переданий через канал зв'язку. Зміною видів модуляції можна досягти різної пропускної здатності каналу зв'язку. Чим більш повно використовуватиметься смуга пропускання каналу зв'язку, тим вищою буде швидкість передавання. Проте межа пропускної здатності визначається теоремою Шенона.

Із розв’язанням завдання збільшення пропускної здатності одночасно розв’язується завдання підвищення перешкодостійкості сигналів.

Контрольні запитання та завдання до розділу 8

1. Опишіть процедуру перенесення спектра.

2. Укажіть причини необхідності перенесення спектра.

9. Види модуляції

Модуляція є процесом зміни певних параметрів несучого коливання відповідно до інформації, що передається. Несуче коливання - це гармонійний синусоїдальний сигнал , параметрами якого є амплітуда, частота й фаза. Таким чином, інформація може бути передана зміною амплітуди, частоти або фази синусоїдального коливання або комбінованою зміною цих параметрів.

При амплітудній модуляції (маніпуляції) змінюється амплітуда коливання відповідно до бітів, що передаються. Наприклад, одиничні біти можуть бути передані деякою ненульовою амплітудою, а нульові біти - нульовою амплітудою (рис. 31). Такий вид модуляції називається також амплітудною маніпуляцією.

Рис. 31. Амплітудна модуляція (маніпуляція)

При частотній модуляції відповідно до бітів, що передаються змінюється частота коливання. Одиничні біти в цьому випадку можуть передаватися частотою F₁, а нульові біти - частотою F₂ (рис. 32). Такий вид модуляції називають також частотною маніпуляцією.

Рис. 32. Частотна модуляція (маніпуляція)

Зміна фази коливання відповідно до бітів, що передаються, відбувається при фазовій модуляції. У цьому випадку одиничні біти передаються з фазою коливання φ₁, а нульові біти - фазою φ₂. Для збільшення перешкодостійкості значення фаз вибираються протилежними. Такий вид модуляції називають фазовою маніпуляцією (рис. 33).

Рис. 33. Фазова модуляція (маніпуляція)

Основним недоліком фазової маніпуляції є можлива інверсія при прийманні фазоманіпульованого сигналу. Як відомо, детектування фазомодульованого сигналу відбувається при порівнянні його фази з фазою сигналу несучої частоти. Несуча ж частота виділяється з прийнятого сигналу шляхом множення його частоти на два. При попаданні ж перешкоди з каналу зв'язку у фазовий детектор можливий поворот фази опорного коливання на 180°, після чого вся інформація, що приймається, буде інвертована до приймання нової перешкоди.

З метою виключення явища інверсії в 1954 р. радянським вченим Петровичем Н. Т. був запропонований сигнал відносної фазової модуляції (ВФМ). Характерною особливістю цього сигналу є те, що фаза поточного коливання залежить не лише від біта інформації, що передається, але й від фази попереднього коливання. Наприклад, нульовий біт може передаватися відсутністю зміни фази, а одиничний - поворотом фази на 180°. Таким чином, інформація передається не фазою коливання, а її зміною. При виникненні перешкоди при прийманні спотвореним залишиться тільки один біт, далі правильний приймання відновиться.

Рис. 34. Відносна фазова модуляція (маніпуляція)

Передавання з використанням амплітудної, частотної, фазової або відносної фазової модуляції обмежується за швидкістю смугою пропускання каналу зв'язку. Оскільки телефонний канал надає смугу пропускання = (3400 - 300) Гц = 3100 Гц, то максимальна швидкість модуляції за критерієм Найквіста не може перевищувати В_мах=3100 Бод. Оскільки за одне посилання при даних способах модуляції не може передаватися інформації більше за один біт, то присутнє обмеження швидкості передавання інформації V_мах=3100біт/с. Кратність модуляції в усіх наведених випадках дорівнює одиниці. Оскільки під час виникнення спотворень на межах смуга телефонного каналу не може використовуватися повністю, то на практиці максимальна швидкість передавання обмежується значенням 2400 біт/с.

Про можливість збільшення швидкості передавання інформації говорить теорема Шенона, згідно з якою теоретична межа пропускної здатності телефонного каналу складає 24..30 кбіт/с у залежності від його шумових властивостей. На практиці збільшення швидкості передавання інформації через телефонний канал досягається збільшенням кратності модуляції, тобто за одне посилання передається два й більше бітів. З цією метою в несучому коливанні можна міняти декілька параметрів одночасно. Наприклад, змінюючи амплітуду й фазу коливань, можна передавати декілька бітів одночасно. Такого ж ефекту можна досягти, зіставляючи кодові комбінації з декількох бітів із деякими значеннями частот. Межа збільшення кратності модуляції визначає складність побудови приймальної апаратури, яка була б здатна безпомилково розрізнити два сусідні стани сигналу на тлі шумів.

Розглянемо деякі приклади сигналів із багатократною модуляцією. Сигнал із подвійною відносною фазовою модуляцією (рис. 35), який має чотири стани, кожний з яких відображається на сигнальній площині у вигляді вектора. Напрямок вектора відповідає фазі сигналу, а його довжина - амплітуді. Сукупність усіх векторів називається сигнальним сузір'ям. Сигнали необов'язково відображаються векторами, допустиме зображення тільки кінцевих точок векторів, що значно спрощує сприйняття зображень багатосигнальних сузір'їв.

Рис. 35. Подвійна ВФМ

Розглянемо потрійну відносна фазову модуляцію (рис. 36). Тут між сусідніми сигнальними векторами кут складає 45°. Кожен сигнал передає трибітову кодову комбінацію. Сигнальне сузір'я складається з восьми сигналів.

Рис. 36. Потрійна ВФМ

Подальше зменшення кутової відстані між сусідніми векторами з метою збільшення кратності призводить до істотного зниження перешкодостійкості. Це викликано високою складністю побудови детектора таких сигналів на приймальній стороні. Тому збільшення кратності модуляції досягається додаванням на сигнальну площину векторів із меншою амплітудою. У такий спосіб вдається збільшити кількість сигналів до 16, причому ці сигнали реально можна розрізнити на приймальній стороні. Максимальна швидкість передавання інформації в цьому випадку зростає з 2400 до 9600 біт/с. Такий спосіб модуляції називається амплітудно-квадратурним, його сигнальне сузір'я зображене на рис. 37.

Рис. 37. Квадратурна амплітудна модуляція

На структурній схемі амплітудно-квадратурного сигналу (рис. 38) формувач складається з регістра зсуву, парні розряди вхідної кодової комбінації з якого надходять на верхнє плече, а непарні - на нижнє плече. У кожному плечі розташовані кодер і перемножувач. Кодер залежно від біта інформації, що поступив, встановлює на своєму виході позитивний або негативний рівень напруги. На перемножувач верхнього плеча поступає синусоїдальний сигнал, амплітуда якого на виході визначається рівнем напруги кодера. У нижньому плечі на перемножувач поступає косинусоїдальний сигнал, тобто той, що знаходиться у квадратурі відносно опорного коливання верхнього плеча. Сигнали з виходу перемножувачів складаються в суматорі й надходять до каналу зв'язку.

Рис. 38. Амплітудно-квадратурний модулятор

Стрімке збільшення кількості інформації, що передається, викликане уведенням у документи зображень і звуків, призвело до пошуку нових високошвидкісних способів зв'язку між віддаленими обчислювальними машинами. Гранична швидкість 33 кбіт/с, що забезпечується телефонним каналом, не може задовольнити сучасні вимоги. Найбільш складним питанням залишається вибір такого середовища передавання, яке б забезпечувало надійне й водночас захищене передавання інформації, залишаючись при цьому недорогим у створенні й експлуатації. Досі актуалні лінії телефонного зв'язку. Практична смуга пропускання телефонної лінії на останній милі (від АТС до абонента) може досягати 1 Мгц. Якщо використовувати таку смугу пропускання, то з'являється можливість збільшення швидкості передавання до 50 Мбіт/с. Таким чином, абонентський термінал (ЕОМ) може з'єднуватися з високошвидкісною локальною мережею обчислювальних машин АТС і діставати доступ до її ресурсів.

Одним з варіантів такого з’єднання є технологія ISDN. У смузі телефонного дроту останньої милі формуються три канали, два з яких по 64 кбіт/с використовуються для передавання даних, а один на 16 кбіт/с - для передавання керуючих сигналів (рис. 39). Загальна інформаційна швидкість складає 160 кбіт/с. На стороні абонента встановлюється декодуючий пристрій - мережеве закінчення, яке дозволяє розділити канали й управляє абонентським термінальним устаткуванням як, наприклад телефони, ЕОМ.

Рис. 39. Технологія ISDN

Між термінальним устаткуванням і мережевим закінченням передавання даних здійснюється з використанням квазітрійкового коду. Для передавання інформації через лінію зв'язку використовується чотирирівневий код (рис. 40). Кратність такого коду дорівнює двом, а швидкість модуляції складає 80 кБод.

Рис. 40. Сигнал в абонентській лінії

Особливість цієї технології в тому, що вона здатна надавати ряд послуг, що визначаються мережею ISDN. Проте швидкість передавання даних при цьому не може перевищувати 128 кбіт/с, що істотно знижує сферу застосування цієї технології в документальному зв’язку.

Досконаліший варіант використання останньої милі телефонної лінії - технологія xDSL (рис. 41). Ця технологія дозволяє використовувати всю смугу пропускання телефонного дроту, яка складає близько 1Мгц. Уся смуга пропускання поділяється на множину підканалів, кожен з яких умовно повторює звичайний канал тональної частоти. Найперший підканал може використовуватися для передавання мови, а інші - для передавання даних (рис. 42). У кожному підканалі формується свій сигнал з багатократною модуляцією. Використання множини каналів дозволяє сформувати оптимальні умови передавання в кожному із них шляхом підстроювання апаратури до їхніх частотних і фазових характеристик. Якщо в деяких підканалах передавання може бути ускладнене внаслідок наявності перешкод, то швидкість обмежується, але передавання не припиняється, а залежно від рівня перешкод змінюється кратність модуляції. Технологія поділу смуги пропускання на підканали дістала назву "дискретний мультитон".

8-50 Мбіт/с

Рис. 41. Технологія xDSL

Рис. 42. Використання смуги пропускання телефонного дроту

Контрольні запитання та завдання до розділу 9

1. Опишіть механізм амплітудної модуляції.

2. Опишіть механізм частотної модуляції.

3. Опишіть механізм фазової модуляції.

4. Опишіть механізм відносної фазової модуляції.

5. Дайте визначення подвійної ВФМ.

6. Дайте визначення потрійної ВФМ.

7. Дайте визначення квадратурної амплітудної модуляції.

8. Прокоментуйте схему квадратурного амплітудного модулятора.

9. Технологія ISDN, xDSL.