Пропускная способность в соответствии с соотношением Найквиста.
Близким по сути к формуле Шеннона является следующее соотношение, полученное Найквистом, которое также определяет максимально возможную пропускную способность линии связи, но без учета шума на линии: С = 2F log2 М, где М - количество различимых состояний информационного параметра. Если сигнал имеет 2 различимых состояния, то пропускная способность равна удвоенному значению ширины полосы пропускания линии связи (рис. 2.10, а). Если же передатчик использует более чем 2 устойчивых состояния сигнала для кодирования данных, то пропускная способность линии повышается, так как за один такт работы передатчик передает несколько бит исходных данных, например 2 бита при
наличии четырех различимых состояний сигнала (рис. 2.10,
б).
Рис. 2.10. Повышениескорости передачи за счет дополнительных состояний сигнала Хотя формула Найквиста явно
не учитывает наличие шума, косвенно его влияние отражается в выборе количества состояний
информационного сигнала. Для повышения пропускной способности канала хотелось бы увеличить это количество до значительных величин, но на практике мы не можем этого сделать из-за шума на линии. Например, для примера, приведенного на рис. 2.10, можно увеличить пропускную способность линии еще в два раза, использовав для кодирования данных не 4, а 16 уровней. Однако если амплитуда шума часто превышает разницу между соседними 16-ю уровнями, то приемник не сможет устойчиво распознавать передаваемые данные. Поэтому количество возможных состояний сигнала фактически ограничивается соотношением мощности сигнала и шума, а формула Найквиста определяет предельную скорость передачи данных в том случае, когда количество состояний уже выбрано с учетом возможностей устойчивого распознавания приемником.
Приведенные соотношения дают предельное значение пропускной способности линии, а степень приближения к этому пределу зависит от конкретных методов физического кодирования.
Скрэмблирование. Логическое кодирование используется для улучшения потенциальных кодов типа AMI, NRZI или 2Q1B. Логическое кодирование должно заменять длинные последовательности бит, приводящие к постоянному потенциалу, вкраплениями единиц. Для логического кодирования характерны два метода - избыточные коды и скрэмблирование. Избыточные коды основаны на разбиении исходной последовательности бит на порции, которые часто называют символами. Затем каждый исходный символ заменяется на новый, который имеет большее количество бит, чем исходный. Например, логический код 4В/5В, используемый в технологиях FDDI и Fast Ethernet, заменяет исходные символы длиной в 4 бита на символы длиной в 5 бит. Так как результирующие символы содержат избыточные биты, то общее количество битовых комбинаций в них больше, чем в исходных. Так, в коде 4В/5В результирующие символы могут содержать 32 битовые комбинации, в то время как исходные символы - только 16. Поэтому в результирующем коде можно отобрать 16 таких комбинаций, которые не содержат большого количества нулей, а остальные считать
запрещенными кодами (code violation). Кроме устранения постоянной составляющей и придания коду свойства самосинхронизации, избыточные коды позволяют приемнику распознавать искаженные биты. Если приемник принимает запрещенный код, значит, на линии произошло искажение сигнала.
Для обеспечения заданной пропускной способности линии передатчик, использующий избыточный код, должен работать с повышенной тактовой частотой. Так, для передачи кодов 4В/5В со скоростью 100 Мб/с передатчик должен работать с тактовой частотой 125 МГц. При этом спектр сигнала на линии расширяется по сравнению со случаем, когда по линии передается чистый, не избыточный код. Тем не менее спектр избыточного потенциального кода оказывается уже спектра манчестерского кода, что оправдывает дополнительный этап логического кодирования, а также работу приемника и передатчика на повышенной тактовой частоте.
Перемешивание данных скрэмблером перед передачей их в линию с помощью потенциального кода является другим способом логического кодирования. Методы скрэмблирования заключаются в побитном вычислении результирующего кода на основании бит исходного кода и полученных в предыдущих тактах бит результирующего кода: Bi Ai Bi 3 Bi 5, где Bi - двоичная цифра
результирующего кода, полученная на i -м такте работы скрэмблера, Ai - двоичная цифра исходного кода, поступающая на i-м такте на вход скрэмблера, Bi-з и Bi-5 - двоичные цифры результирующего кода, полученные на предыдущих тактах работы скрэмблера, соответственно на 3 и на 5 тактов ранее
Задача мультиплексирования (multiplexing) — образование из нескольких отдельных потоков общего агрегированного потока, который можно передавать по одному физическому каналу связи. Мультиплексирование –процесс уплотнения и передачи двух или более сигналов(каналов)через одини тот же тракт(физическую линию) без взаимного влияния. Это достигается разделением сигналов во времени или по частоте, или с помощью кодирования сигнала таким образом, чтобы его мог принимать только назначенный получатель.
Техника частотного мультиплексирования каналов (FDM) была разработана для телефонных сетей, но применяется она и для других видов сетей, например сетей кабельного телевидения.
Рассмотрим особенности этого вида мультиплексирования на примере телефонной сети.
Речевые сигналы имеют спектр шириной примерно в 10 000 Гц, однако основные гармоники укладываются в диапазон от 300 до 3400 Гц. Поэтому для качественной передачи речи достаточно образовать между двумя собеседниками канал с полосой пропускания в 3100 Гц. В то же время полоса пропускания кабельных систем обычно составляет сотни килогерц, а иногда и сотни мегагерц. Однако непосредственно передавать сигналы нескольких абонентских каналов по широкополосному каналу невозможно, так как все они работают в одном и том же диапазоне частот и сигналы разных абонентов смешаются между собой так, что разделить их будет невозможно.
Для разделения абонентских каналов характерна техника модуляции высокочастотного несущего синусоидального сигнала низкочастотным речевым сигналом. В результате спектр модулированного сигнала переносится в другой диапазон, который симметрично располагается относительно несущей частоты и имеет ширину, приблизительно совпадающую с шириной модулирующего сигнала.
На входы FDM-коммутатора поступают исходные сигналы от абонентов телефонной сети. Коммутатор выполняет перенос частоты каждого канала в свой диапазон частот. Обычно высокочастотный диапазон делится на полосы, которые отводятся для передачи данных абонентских каналов (рис.2). Чтобы низкочастотные составляющие сигналов разных каналов не смешивались между собой, полосы делают шириной в 4 кГц, а не в 3,1 кГц, оставляя между ними страховой промежуток в 900 Гц. В канале между двумя FDM-коммутаторами одновременно передаются сигналы всех абонентских каналов, но каждый из них занимает свою полосу частот. Такой канал называют уплотненным.
Рис. 2. Коммутация на основе частотногоуплотнения
Выходной FDM-коммутатор выделяет модулированные сигналы каждой несущей частоты и передает их на соответствующий выходной канал, к которому непосредственно подключен абонентский телефон.
В сетях на основе FDM-коммутации принято несколько уровней иерархии уплотненных каналов. Первый уровень уплотнения образуют 12 абонентских каналов, которые составляют базовую группу каналов, занимающую полосу частот шириной в 48 кГц с границами от 60 до 108 кГц. Второй уровень уплотнения образуют 5 базовых групп, которые составляют супергруппу, с полосой частот шириной в 240 кГц и границами от 312 до 552 кГц. Супергруппа передает данные 60 абонентских каналов тональной частоты. Десять супергрупп образуют главную группу,которая используется для связи между коммутаторами на больших расстояниях.Главная группа передает данные 600 абонентов одновременно и требует от канала связи полосу пропускания шириной не менее 2520 кГц с границами от 564 до 3084 кГц.
В системе с ЧРК вся имеющаяся в наличии полоса частот среды передачи разделяется на более узкие полосы или каналы. Отдельные речевые сигналы передаются по отдельным каналам путем амплитудной модуляции несущей, которая выбирается соответственно для каждого канала. В качестве стандартной полосы частот речевого сигнала с учетом защитных интервалов была выбрана полоса частот шириной 4 кГц. Этот выбор явился известным компромиссом между стремлением организовать как можно больше речевых каналов в одной системе передачи, с одной стороны, и поддержать приемлемое качество воспроизведения речи, с другой. Поскольку модуляция с двумя боковыми полосами – расточительна, то всякий раз, когда дополнительные расходы на оконечное оборудование оказываются оправданными, исп-ся модуляция с одной боковой полосой. В системах с ОБП несущая частота располагается в верхней, либо нижней части спектра соответствующего канала в зависимости от того, какая из боковых полос выбрана для передачи. Имеется следующая иерархия систем с ЧРК:
Оборудование группообразования многоканальной связи не зависит от вида среды передачи. Все оборудование в иерархии систем с ЧРК строится с учетом передачи сигналов с ОБП. Стандартный блок самого нижнего уровня иерархии – это оборудование первичной группы: 12 модуляторов, на которые подаются сигналы 12 различных несущих частот, формируют 12 сигналов с двумя боковыми полосами частот. Далее модулированный сигнал каждого канала поступает на полосовой фильтр, который пропускает из двух боковых полос одну – нижнюю. Групповой сигнал образуется суперпозицией сигналов отдельных каналов, получаемых на выходе фильтров. Оборудование разделения на приемном конце строится аналогично, но все преобразования выполняются в обратном порядке. Заметим, что полосовой фильтр не только подавляет верхнюю боковую полосу, но и ограничивает нижнюю. Поэтому эти фильтры являются наиболее важными для телефонной сети элементами, которые и определяют полосу частот канала ТЧ. Так как группообразование с ЧРК используется на всех междугородных линиях связи, то соединительный тракт для всех междугородных соединений имеет полосу частот несколько менее 4 кГц.
Прямая передача сигналов 60 каналов при индивидуальном преобразовании требует 60 различных несущих частот и 60 индивидуальных преобразователей, включая модуляторы и полосовые фильтры, позволяющие вести передачу с ОБП. В то же время использование иерархического преобразования частоты позволит построить многоканальную систему, используя лишь пять групповых преобразователей второй ступени и пять стандартных модулей более низкого уровня иерархии.
Поскольку объединение сигналов первичных групп на втрой ступени преобразования выполняется без введения защитных промежутков, то в оборудовании группообразования вторичной группы необходимо обеспечить высокую точность при выборе несущих частот и настройке полосовых фильтров. В системах многоканальной связи более высокого уровня сигналы систем более низкого уровня обычно не размещают близко друг к другу. Кроме того, сигналы, образованные на более высоком уровне иерархии группообразования, обычно включают контрольные частоты, по которым идет настройка системы с целью обеспечения требуемого качества передачи и восстановления несущей.
При кодовом разделении каналов сигналы всех каналов присутствуют в линии связи или эфире одновременно, аналогично тому, как это происходит при FDMA. Однако в отличие от FDMA, сигнал каждого канала занимает свою полосу частот, отводящуюся для многоканальной системы.
На рисунке изображен простейший пример CDMA с перестройкой частоты, кратковременное распределение частотного диапазона для различных источников сигналов. В каждом из коротких временных интервалов происходит перераспределение частотных диапазонов. Как показано на рисунке, в течение интервала 1 сигнал 1 использует диапазон 1, сигналы 2 и 3 – диапазоны 2 и 3. Во время интервала 2 сигнал 1 «перескакивает» в диапазон 3, сигнал 2
– в диапазон 1, сигнал 3 – в диапазон 2 и т.д. Таким образом, ресурс связи используется полностью, причем диапазоны пользователей перераспределяются в каждый момент времени. Каждому пользователю присваивается код (псевдошумовой), который указывает последовательность перестройки частоты. Одним из преимуществ CDMA по сравнению с TDMA является то, что группы пользователей не нуждаются в синхронизации (синхронизироваться должны только передатчики и приемники каждой группы). Нет временного разделения, все пользователи постоянно используют всю ширину канала. Преимущества CDMA по сравнению с TDMA и FDMA: 1) Конфиденциальность. Несанкционированные лица, не имеющие кода, не могут получить доступ к передаваемой информации.
2) Каналы с замиранием. Если для определенной части используемого спектра характерно замирание, сигналы в данной части будут ослабленными. При использовании схемы FDMA пользователь данной части спектра может испытывать постоянные затруднения со связью. При схеме CDMA пользователь будет испытывать аналогичные проблемы только при изменении частоты в соответствующую часть спектра. Т.о., возможные проблемы будут распределяться между всеми пользователями.
3) Сопротивляемость подавлению. В течение времени между изменениями частоты полоса сигнала равна минимальной ширине полосы, достаточной для передачи. В то же время в течение нескольких временных интервалов система совершает скачки в диапазоне частот, ширина которого намного превышает ширину полосы данных. Такое использование полосы называется расширением спектра.
4) Гибкость. Наиболее важным преимуществом CDMA, по сравнению с TDMA, является отсутствие необходимости синхронизации одновременно передающих устройств.
Статистическое мультиплексирование (Statistical) - обеспечивает выделение каждому потоку своего временного интервала размером, соответствующим скорости данного потока в данный момент времени. Потоки с более высокими скоростями обеспечиваются более "широкими" временными слотами. Многие системы могут быть сконфигурированы на минимальную и максимальную величину временного слота для каждой программы. В большинстве систем ограничение по скорости потока диктуется максимальной скоростью выходного результирующего
потока.
К недостаткам статистических мультиплексоров можно отнести более высокую сложность устройства по сравнению с мультиплексорами с временным разделением и что для восстановления потоков на приемной стороне необходимо наличие избыточной информации в общем потоке.
|
15) Методы улучшения свойств линейных сигналов. Логическое кодирование.
Статистическое мультиплексирование оправдывает себя в системах с переменными скоростямипотоков, когда пиковые скорости каждого из потока не накладываются друг на друга. Потоки обычно имеют переменные скорости. Преимущество статистического мультиплексирования основывается на малой вероятности того, что пики скоростей разных потоков будут совпадать по времени друг с другом. Пиковая скорость суммарного потока получилась намного меньше суммы пиковых скоростей исходных потоков.
