Передача дискретної інформації по каналах зв'язку

РЕФЕРАТ

На тему “Передача дискретної інформації по каналах зв'язку ”

Передача дискретної інформації по каналах зв'язку

Важливість цього розділу для інженерів з комп'ютерної системотехніки не повинна викликати ніяких сумнівів у тих студентів, хто практично стикався з питаннями побудови інформаційних мереж та систем. Звичайно, розглянути всі аспекти питання передачі даних в короткому курсі важко, тому потрібно хоча б якісно засвоїти основи передачі дискретної інформації та уявляти загальні принципи побудови каналів передачі. Особливу увагу слід звернути на питання модуляції - демодуляції дискретних сигналів та методів організації передачі даних. Не слід ігнорувати і засвоєнням проблем багатоканальної передачі даних. Ці питання особливо актуальні для організації глобальних мереж інформаційного забезпечення бізнесу.

Теоретичні положення. Канали передачі даних та їх характеристики

Дискретна інформація, отримана з аналогового безперервного сигналу, в результаті проведення операцій дискретизації та кодування має узагальнюючу назву "дані". Під даними звичайно розуміється найрізноманітніша дискретна інформація, що призначена для використання в системах телекерування, для обробки на ЕОМ, в інформаційних мережах і таке інше. Передача даних, як правило, здійснюється по дискретних каналах зв'язку, до складу яких входять аналоговий канал зв'язку (що складається з модулятора, лінії зв'язку, демодулятора) та апаратури передачі даних. Такий дискретний канал зв'язку називають каналом передачі даних. Структурна схема каналу передачі даних має таку конфігурацію (рис.1):

Рис. 1 Структурна схема каналу передачі даних

АПД - апаратура передачі даних. М - модулятор, ЛЗ - фізична лінія зв'язку. ДМ - демодулятор.

В залежності від можливостей передачі даних у прямому та зворотному напрямках, розрізняють сімплексні, напівдуплексні та дуплексні канали передачі даних. Сімплексні канали дозволяють передавати лані тільки в одному напрямку. По напівдуплексному каналу дані можуть передаватись в обох напрямках, але не одночасно. Дуплексні канали дозволяють передавати дані в обох напрямках і одночасно.

Незалежно від того, яким чином і по якому виду каналу здійснюється передача даних, якість цієї передачі майже завжди характеризується цілим рядом показників. До найбільш важливих з них відноситься швидкість передачі інформації та її достовірність.

На практиці доводиться стикатися з двома різними поняттями швидкості передачі - технічної та інформаційної. Технічна швидкість майже завжди характеризує швидкодію передачі даних. Ця характеристика була запропонована біля 100 років тому французьким інженером Бодо і в його честь була названа одиниця технічної швидкості - бод. Кількість бод, тобто інформаційних посилок, визначається як технічна швидкість: де - тривалість передачі одного елементу дискретного повідомлення.

В зв'язку з розвитком теорії інформації виникло поняття інформаційної швидкості. Під цим розуміють кількість інформації, що надійшла від джерела інформації до одержувача за одну секунду. Інформаційна швидкість вимірюється числом двійкових одиниць, що надходять за одну секунду (де двійкова одиниця -це біт).

В залежності від швидкості передачі, канали передачі даних поділяються на низькошвидкісні, середньошвидкісні та високошвидкїсні [6]. Низькошвидкісні канали мають швидкість передачі даних до 200 біт/с. Для організації низько швидкісних каналів використовують телеграфні канали зв'язку. По таким каналам інформація передається в дискретній формі, що полегшує їх узгодження з джерелами дискретної інформації. Для організації середньошвидкісних каналів, які мають швидкість передачі інформації до 4.8 кбіт/с, використовуються низькочастотні телефонні канали зв'язку. По таких каналах майже завжди передаються аналогові мовні сигнали, тому для передачі дискретної інформації потрібне застосування спеціальної апаратури передачі даних. Високошвидкісні канали мають швидкість передачі вище 4.8 кбіт/с і використовують високо-швидкісні лінії зв'язку (коаксіальний кабель, світловолокно, радіорелейні канали).

Передача даних по дійсних каналах зв'язку завжди супроводжується дією перешкод та порушень. Це призводить до того, що одержане повідомлення може відрізнятися від переданого. Ступінь відповідності одержаного повідомлення переданому оцінюють за допомогою та характеристики достовірності. Кількісну оцінку цієї відповідності проводять користуючись відношенням кількості помилково прийнятих елементів інформаційного повідомлення М_п до загальної кількості переданих елементів М₃:

При обмеженому часі передачі даних величина достовірності Q є величиною довільною, однак на значних часових відрізках вона забезпечує можливість з достатнім ступенем точності оцінювати ймовірність появи помилок

Передача даних може бути як асинхронною так і синхронною. При асинхронній передачі елементи повідомлення передаються у вільному темпі незалежно один від одного, причому кожен елемент передається зі своїми сигналами "Старт" та "Стоп", що вказують на початок та кінець елемента. Ці сигнали вносять деяку надлишковість в інформацію, тому швидкість асинхронної передачі низька.

При синхронній передачі блок елементів інформації передається безперервно у вимушеному темпі, а синхронізація передаючого та приймального пристрою досягається за допомогою додаткового синхроканалу, посиланням спеціальних кодових комбінацій, або ж введенням спеціальних обмежень у кодову послідовність. Синхронний метод забезпечує значно більшу швидкість передачі даних, ніж асинхронний, але потребує застосування більш складної апаратури.

Для достовірної передачі даних по фізичній лінії зв'язку вони майже завжди підлягають двом операціям - операції перекодування та операції модуляції. Обидві операції проводяться з метою максимального узгодження характеристик послідовності даних з характеристиками лінії зв'язку.

Модуляція в каналах передачі даних

Передача дискретної двійково-кодованої інформації по аналогових каналах зв'язку майже завжди здійснюється з застосуванням операції модуляції коливань деякої несучої частоти двійковими символами даних. На приймальному кінці каналу здійснюється зворотна операція демодуляції. Операції модуляції та демодуляції здійснюється в приладах, що звуться модуляторами - демодуляторами, або інакше модемами [7].

Загальний принцип модуляції складається в зміні одного чи декількох параметрів несучого коливання у відповідності з повідомленням, що передається. Так, наприклад, якщо в якості носія інформації вибрано гармонійне коливання (AM), частотну (ЧМ) і фазову (ФМ). При цьому дискретне повідомлення, що являє собою послідовність кодових символів, перетворюється в деяку послідовність елементів сигналу в результаті взаємодії (тобто модуляції) з параметрами коливання-носія.

У випадку амплітудної (AM) модуляції інформаційному символу "1" відповідає передача несучого коливання протягом деякого інтервалу часу , а нульові - відсутність такого коливання. У випадку частотної модуляції (ЧМ), передача інформаційного символу одиниці ведеться з деякою частотою f, а символу нуля - з частотою f Для фазової модуляції характерна зміна фази несучого коливання, що передається, на 180* ( ) при кожному переході від одиниці до нуля і навпаки. Часові діаграми цих процесів мають вигляд рис.2.

Рис. 2 Часові діаграми процесів модуляції AM, ЧМ. ФМ.

В математичному розумінні проведення операцій модуляції виявляється в множенні несучого коливання y(t) на множник [1+m*х(t)], де x(t) - модулююча функція, m - коефіцієнт модуляції. Так. наприклад, для амплігудно-модульованого сигналу вихідна функція має вигляд:

Функція x(t) мав деякий спектр, в межах від частоти f до частоти f. В результаті операції модуляції x(t) функції несучої у(t) = Ak*sin(* t + у) спектр сигналу буде мати такий вигляд (рис. 3):

Рис. 3 Спектр модульованого сигналу.

Таким чином, спектр модульованого сигналу являє собою сукупні складової несучої частоти f₀ з амплітудою Аy та двох бокових смуг з частотами від (f0-fв) до (f0-fн), та верхньої від (f0+fн) до (f0+fв). Вся інформація про модулюючу функцію x(t) знаходиться в кожній з бокових смуг, що дає можливість передавати по каналу тільки одну з бокових смуг. Якщо носієм дискретної інформації є періодична послідовність імпульсів, то можливі такі загальні види модуляції: амплітудно-імпульсна (AIM), широтно-імпульсна (ШІМ), частотно-імпульсна (ЧІМ) та фазоімпульсна (ФІМ). При амплітудно-імпульсній (інакше багаторівневій) модуляції кодове слово розбивається на 2 - 5 -ти бітові групи, кожна з яких передається відповідним рівнем амплітуди. Для широтно-імпульсної модуляції амплітуда замінюється шириною імпульса (тобто змінюється).

Принципи демодуляції сигналів

В залежності від методу модуляції, демодуляція також розподіляється на амплітудну, частотну та фазову. Прилади, що забезпечують процес демодуляції, майже завжди звуть детекторами. По принципу дії при модуляції сигналів з гармонійним носієм розрізняють амплітудний (AM), частотний (ЧМ) та фазовий (ФМ) детектори.

Амплітудний детектор (рис. 4) може бути побудований на основі діодного випрямляча з фільтруючим ланцюжком RC на виході [8]. Діод являє собою нелінійний елемент з визначеною вольтамперною характеристикою виду 1_ВЬ1Х = f(U_вх) (рис. 5). При дії на AM детектор модульованого сигналу, в його вихідному RC ланцюгу протікає струм у вигляді високочастотних імпульсів з огинаючою у вигляді модулюючого коливання. У спектрі цього струму присутні постійна складова, складові частот модулюючого коливання, несуча частота та її гармоніки. З них корисними сигналами є два перших, а несуча та її гармоніки повинні бути відфільтровані і подавлені. Ця відфільтровка здійснюється за допомогою фільтра низьких частот на базі RC ланцюга.

Рис. 4 Спрощена схема AM детектора.

Діод, випрямляючи сигнал, відсікає один півперіод і на виході з'являються синусоїдальні імпульси, які потім усереднюються за допомогою RC фільтру (тобто фільтр відсікає високочастотні складові). В результаті на виході детектора з'являються імпульси модулюючого коливання.

Рис.5 Часова діаграма процесу AM детектування.

Принцип дії частотного детектора заключається у тому, що спочатку зміна частоти перетворюється в зміну амплітуди, яка потім детектується звичайним амплітудним детектором. Перетворення зміни частоти в амплітуду можна в найпростішому випадку здійснювати за допомогою так званого розлагодженого контура. Звичайно приймальний пристрій містить резонансні ланцюги, які настроєні на частоту несучої так, що модульований сигнал по спектру повністю вміщується у смугу пропускання резонансного ланцюга (контура). В цьому випадку здійснюється вибіркове відсічення потрібного сигналу від непотрібного (заважаючого). Для побудови частотного детектора здійснюють примусову роз-ладку контура (резонансного ланцюга) таким чином, щоб несуча частота знаходилась не в середині смуги пропускання ланцюга, а на середині одного з схилів його характеристики затухання. В цьому випадку зміна частоти несучого коливання призводить до зміни амплітуди на виході резонансного ланцюга. В подальшому, ця зміна випрямляється (детектується) звичайним амплітудним детектором з усереднюючим низькочастотним фільтром на виході (рис. 6, 7).

Рис. 6 Спрощена схема ЧМ детектора.

Вихідна напруга на виході частотного детектора залежить не тільки від миттєвого значення частоти, але й від амплітуди сигналу, що детектується. В той же час можливі дії перешкод в каналі передачі викликають зміну амплітуди і можуть викликати зміну вихідного сигналу детектора. Для усунення паразитної амплітудної модуляції перед частотними детекторами розміщують обмежувачі амплітуди на діодах Д₀₁ та Д₀₂.

Рис.7 Часова діаграма процесу ЧМ детектування.

Фазовий детектор звичайно будують на базі схем додавання - віднімання модульованого та еталонного сигналів, а також амплітудних детекторів. Сигнал на амплітудний детектор звичайно подається за допомогою підсумовуючих трансформаторів. Основною характеристикою фазового детектора являється його амплітудно-фазова характеристика. Вона являє собою залежність вихідної напруги від різниці фаз між сигналом та еталонною напругою. Схема фазового детектора може мати вигляд рис. 8:

Рис.8 Спрощена схема ФМ детектора.

Часова діаграма вихідних сигналів на входах амплітудних детекторів має вигляд рис. 9:

Рис.9 Часова діаграма процесу ФМ детектування

Сигнал U_вх складається з U_on. При співпаданні фаз амплітуди сигналів до-даються, при неспівпаданні - віднімаються. В результаті на вході аналогового детектора з'являється амплітудно - модульоване коливання.

Методи передачі даних

Передача даних звичайно проводиться такими методами: комутацією каналів, комутацією повідомлень і комутацією пакетів повідомлень. Застосування того чи іншого методу залежить від характеру даних, що передаються [6].

Комутація каналів. При методі передачі шляхом комутації каналів, встановлюється фізичне з'єднання між джерелом та адресатом через створення складового каналу з окремих ділянок. Такий складовий канал звичайно має фізичні канали, що мають одну й ту ж швидкість передачі даних. Звичайно в якості фізичних каналів використовують телефонні або ж телеграфні лінії зв'язку, а комутацію здійснюють за допомогою апаратури автоматичного телефонного зв'язку (АТС), чи автоматичних станцій абонентського телеграфу (АТА).

Комутація повідомлень. Метод комутації повідомлень в основному використовується в інформаційно-обчислювальних мережах. При цьому методі фізичне з'єднання встановлюється між двома вузловими станціями мережі тільки на час передачі повідомлення і тільки на одній з ділянок складового каналу для передачі повідомлення, що супроводжується ідентифікаційним заголовком. Це повідомлення транспортується від одного вузла мережі до другого, причому в різний час і з різною швидкістю без створення єдиного каналу з'єднання. Такий принцип підвищує гнучкість використання каналів передачі даних за рахунок можливості одночасної передачі різної інформації по більшості з складових частин складового каналу. Пропускна спроможність каналів при цьому також підвищується.

Комутація пакетів повідомлень. Комутація пакетів повідомлень являється різновидом методу комутації повідомлень. Суть цього методу в тому, що тут вже розбиваються на окремі ділянки також і самі повідомлення. Ці ділянки носять назву пакетів повідомлень. Таке розбиття додатково підвищує гнучкість та пропускну здатність каналів передачі даних за рахунок зменшення часу передачі цих пакетів по каналах з різними конфігураціями і швидкістю передачі.

Багатоканальна передача даних

Безперервний розвиток інформатизації народного господарства призводить до постійного, зростання потоків інформації. А це потребує збільшення кількості каналів передачі даних, або ж підвищення ступеня їх використання.

Практика показує, що найбільш дорогою частиною каналу передачі даних є фізичні лінії зв'язку. Тому виникає задача максимального використання їх пропускної здатності за рахунок побудови систем багатоканальної передачі даних. В такій системі по одній фізичній лінії одночасно передається велика кількість сигналів окремих інформаційних каналів. Багатоканальна передача даних можлива тільки у випадках, якщо полоса пропускання лінії здатна помістити спектри всіх каналів.

Багатоканальні системи передачі даних утворюються шляхом об'єднання, а потім розділення первинних каналів в групи тим чи іншим способом. Таких способів розділення каналів відомо біля десятка. До основних з них відносять часове, частотне, фазове та комбінаційне розділення каналів.

Найбільш вживаним в техніці цифрової передачі даних є спосіб часового розділення каналів. Він полягає в тому, що канал передачі даних, що включає модем та фізичну лінію зв'язку, по черзі за допомогою комутатора підключається до кодерів кожного з існуючих джерел дискретної інформації таким чином, що спочатку передається кодоімпульсний сигнал першого каналу, потім другого і так до до каналу з номером N. Після передачі N - го каналу кодоімпульсного сигналу, знову підключається перший канал, з якого передається наступний по порядку кодоімпульсний сигнал. На приймальному кінці канала передачі даних також встановлюється комутатор, який підключає почергово загальний канал передачі даних до декодера приймального боку каналів. Загальний канал передачі даних при цьому носить назву групового тракту передачі даних.

Для нормальної роботи такої багатоканальної системи передачі даних з часовим розподілом індивідуальних каналів, необхідна чітка синхронна робота комутаторів передавальної та приймальної сторін. Часто для здійснення такої синхронності використовують один з каналів передачі. Структурна схема системи багатоканальної передачі з часовим розподілом може мати вигляд рис.10:

Рис.10 Система багатоканальної передачі з часовим розподілом.

Часова діаграма для двох каналів має вигляд (рис. 11). де К₁ , К₂ - дискретні кодоімпульсні сигнали першого та другого каналів. ТИ - тактові синхроімпульси, К₁ +К₂ - сумарний сигнал в груповому тракті.

Рис.11 Часова діаграма системи з часовим розподілом каналів.

Інформація про всі N каналів повинна передаватися майже завжди в реальному часі, тобто за час інтервалу дискретизації між двома відліками кожного з каналів. Інтервали дискретизації в каналах при цьому повинні бути однакові.

Принцип частотного розподілу каналів передачі даних полягає з тому, що кожному окремому каналу відводиться визначена частина з загальної смуги пропускання лінії зв'язку. Такий розподіл застосовується у випадку, якщо необхідно по одній лінії зв'язку передавати неоднорідну інформацію. Наприклад, сигнал телевізійного мовлення, радіотелефонні канали та дискретну інформацію даних. Передача таких сигналів без їх частотного розподілу викликала б сильні взаємовпливи та перешкоди. Щоб виконати функцію розподілу приймальні пристрої повинні мати смугові фільтри. Кожен з фільтрів повинен пропустити без порушення лише частоти 95% спектра свого канала, всі інші частоти повинні бути подавлені.

Структурна схема багатоканальної системи з частотним розподілом каналів може мати такий вигляд (рис. 12):

Рис.12 Система багатоканальної передачі з частотним розподілом каналів.

Формування сигналів проходить таким чином. Спочатку первинні індивідуальні канали К₁, К₂, TK і так далі модулюють своїми спектрами G₁, G₂, G₃ і так далі піднесучі частоти со; кожного каналу. Цю операцію виконують модулятори М₁, М₂, М_N. Отримані на виході частотних фільтрів Ф_1.1, Ф_1.2, Ф_N.2 спектри канальних сигналів підсумовуються в суматорі Е і їх сума поступає на груповий модулятор ГМ. Тут за допомогою коливання несучої частоти спектр сумарного сигналу переноситься в область частот відведену для передачі даної групи каналів. На приймальному боці здійснюється зворотне перенесення спектрів, які потім розфільтровуються За допомогою частотних фільтрів Ф_1.2 , Ф_2.1, Ф_N.2 і потім детектуються детекторами Д₁, Д₁ ... Д_N. після чого подаються на канальні декодери, або ж інші спеціальні пристрої. Частотна діаграма, що тлумачить принцип частотного розподілу каналів приведена на рис. 13 (за умови однополосної передачі).

Рлс.26 Частотна діаграма розподілу каналів по спектру.

При фазовому розподілі інформація передається шляхом амплітудної модуляції несучої частоти со_н сигналами різких каналів. Частота несучої одна й та ж. а фаза коливань різна. В той же час таким чином можна забезпечити передачу тільки двох каналів на базі несучих, що забезпечують взаємну ортогональність цих сигналів (коли ?у = р /2), тобто:

X₁(t) = А₁ * sin ?₀ * t, x₂(t) = А₂ * sin(?₀ * t + р/2) = A₂ * cos ?₀ * t.

Суть комбінаційного способу розподілу складається у використанні багаторівневого методу передачі інформації з основою коду М = m. Якщо m = 2, то кожен елемент повідомлення може приймати один з двох можливих станів: 0, 1. При кількості каналів N = 2 виявляються можливими чотири різні комбінації елементарних сигналів "0" та "1" в обох каналах. Типовим прикладом комбінаційного розподілу є система двократної частотної модуляції, коли для передачі чотирьох комбінацій сигналів двох каналів використовують чотири різних частоти f₁, f₂, f₃, f₄.