Кіріспе
Цифрлық сигналдың модуляциялау жылдамдығы
Цифрлық түрде модуляцияланған сигналда немесе желілік кодта символ жылдамдығы, модуляция жылдамдығы немесе бод жылдамдығы – бұл беріліс ортасы бойынша уақыт бірлігінде болатын символ өзгерістерінің, толқын пішіні өзгерістерінің немесе сигнал беру оқиғаларының саны. Символ жылдамдығы бод (Bd) немесе секунд сайын символдармен өлшенеді. Желілік код жағдайында символ жылдамдығы – секунд сайын импульс санындағы импульс жылдамдығы. Әрбір символ бір немесе бірнеше бит ақпаратты ұсынуы немесе жеткізуі мүмкін. Символ жылдамдығы секунд сайын биттермен көрсетілген жалпы бит жылдамдығымен байланысты.
Таңбалар
Символды цифрлық базалық жолақты таратудағы импульс немесе модемдерді пайдалана отырып, жолақты таратудағы тон ретінде сипаттауға болады. Символ – бұл белгіленген уақыт аралығында сақталатын байланыс арнасының толқын пішіні, күйі немесе маңызды жағдайы. Жіберуші құрылғы арнаға белгілі бір символ жылдамдығымен символдарды орналастырады, ал қабылдаушы құрылғы жіберілген деректерді қалпына келтіру үшін символдар тізбегін анықтау міндетін орындайды. Символ мен деректердің кішкентай бірлігі арасында тікелей сәйкестік болуы мүмкін. Мысалы, әрбір символ бір немесе бірнеше екілік сан (биттерді) кодтай алады. Деректер символдар арасындағы өтулермен немесе тіпті көптеген символдардың тізбегі арқылы да көрсетілуі мүмкін. Символдың ұзақтығы, сондай-ақ бірлік интервалы деп аталатын уақыт, осциллографтың «көз» диаграммасын қарастырып, өтулер арасындағы уақыт ретінде тікелей өлшенуі мүмкін. Символдың ұзақтығы Ts келесідей есептеледі:
мұнда fs – символ жылдамдығы. Мысалы, 1 кБд = 1000 Бд жылдамдығы секундына 1000 символ жылдамдығымен тең. Модем жағдайында бұл секундына 1000 тонға, ал желілік код жағдайында секундына 1000 импульске сәйкес келеді. Символдың ұзақтығы 1/1000 секунд = 1 миллисекунд құрайды.
Негізгі жолақты таратудың желілік кодтары
Телеграф желісі, тізбекті кабель немесе жергілікті желідегі бұрылған жұп кабель сияқты базалық арна жағдайында деректер желілік кодтарды, яғни синусоидтық тон емес, импульстарды пайдалана отырып беріледі. Мұндай жағдайда, бад жылдамдығы импульс жылдамдығымен бірдей болады. Базалық жолақты арнаның максималды бад жылдамдығы немесе импульс жылдамдығы Найквист жылдамдығы деп аталады және жолақтың енінен екі есеге (көлденең жиіліктен екі есеге) тең. Ең қарапайым цифрлық байланыс тізбектері (мысалы, аналық платадағы жеке сымдар немесе RS 232 тізбекті порты/COM порты) әдетте символ жылдамдығы жалпы бит жылдамдығына тең болады. 10 Мбит/с Ethernet (10BASE T), USB және FireWire сияқты кең таралған байланыс тізбектерінің деректер биті жылдамдығы бад жылдамдығынан сәл төмен, өйткені өздігінен синхрондау және қателерді анықтау үшін қолданылатын қосымша дерек емес символдардың арқасында. J. M. Emile Baudot (1845–1903) телеграфтар үшін бес биттік кодты жасады, ол халықаралық деңгейде стандартталды және әдетте Baudot коды деп аталады. Жоғары деректер жылдамдығына қол жеткізу үшін FDDI және 100/1000 Мбит/с Ethernet LAN және басқа да жетілдірілген техникаларда екіден астам кернеу деңгейлері қолданылады. 1000 Мбит/с Ethernet LAN кабельдері толық дуплексте төрт сым жұбын пайдаланады (бір уақытта екі бағыттағы жұпқа 250 Мбит/с), ал деректерді кодтау үшін символға көптеген биттер қолданылады.
Чиптер мөлшеріне қатынасы
Кейбір байланыс сілтемелері (мысалы, GPS-хабарламалары, CDMA ұялы телефондары және басқа кең спектрлі сілтемелер) дерек жылдамдығынан әлдеқайда жоғары символ жылдамдығына ие (олар бір дерек биті үшін чип деп аталатын көптеген символдарды жібереді). Бір битті көптеген символдардан тұратын чип тізбегімен бейнелеу, радиожамды қоса алғанда, бірдей жиілік арнасын бөлісетін басқа таратушылардан туындайтын ко-арналық кедергілерді жеңеді және әскери радио және ұялы телефондарда кеңінен қолданылады. Бірдей бит жылдамдығын жеткізу үшін көбірек жолақты пайдалану арнаның (бит/с)/Гц спектрлік тиімділігін төмендетсе де, ол көптеген бірмезгілдегі пайдаланушыларға мүмкіндік береді, нәтижесінде бірлік аумаққа шаққандағы жүйелік спектрлік тиімділік (бит/с)/Гц артады. Мұндай жүйелерде физикалық түрде берілетін жоғары жиілікті сигналдың символ жылдамдығы чип жылдамдығы деп аталады, бұл эквиваленттік базалық сигналдың импульстік жылдамдығымен де сәйкес келеді. Дегенмен, кең спектрлі жүйелерде символ термині жоғары деңгейде де қолданылуы мүмкін, мысалы, CDMA тарату коды қолданылғанға дейін, бір ақпараттық битті немесе ақпараттық биттер блогын, дәстүрлі QAM модуляциясы сияқты әдістермен модуляциялауға сілтеме жасауы мүмкін. Соңғы анықтаманы қолданғанда, символ жылдамдығы бит жылдамдығына тең немесе одан төмен болады.
Бит қателік деңгейімен қатынасы
Бір символға көптеген биттерді жіберудің кемшілігі – қабылдағыш көптеген сигнал деңгейлерін немесе символдарды бір-бірінен ажыратуға тиіс, бұл қиынға соғуы мүмкін және сигнал-шу қатынасы төмен нашар телефон желісінде біт қателерге әкелуі мүмкін. Мұндай жағдайда модем немесе желілік адаптер біт қателік деңгейін төмендету үшін символға аз биттер қолданатын, баяурақ және сенімдірек модуляция схемасын немесе желілік кодын автоматты түрде таңдауы мүмкін. Символдар жиынтығының ең тиімді дизайны арнаның ені, қажетті ақпарат жылдамдығы, арна мен қабылдағыштың шу сипаттамалары және қабылдағыш пен декодердің күрделілігін ескереді.
Модуляция
Көптеген деректер беру жүйелері тасымалдаушы сигналды модуляциялау арқылы жұмыс істейді. Мысалы, жиілік модуляциясы кілтінде (FSK), дыбыстың жиілігі мүмкін мәндердің шағын, белгілі бір жиынтығында өзгереді. Синхронды деректер беру жүйесінде дыбыс жиілігі тек бір жиіліктен екіншісіне реттелген және анықталған интервалдарда ғана ауыстырылуы мүмкін. Осы интервалдардың бірінде белгілі бір жиіліктің болуы бір символды құрайды. (Символдар ұғымы асинхронды деректер беру жүйелеріне қатысты қолданылмайды.) Модуляцияланған жүйеде модуляция жылдамдығы термині символ жылдамдығымен мағынасы бірдей қолданылуы мүмкін.
Бинарлы модуляция
Егер тасымалдаушы сигналда екі ғана күй болса, онда әрбір символ бір ғана дерек битін (яғни 0 немесе 1) жеткізе алады. Бұл жағдайда бит жылдамдығы символ жылдамдығымен тең болады. Мысалы, екілік FSK жүйесі тасымалдаушыға екі жиіліктің бірін таңдауға мүмкіндік береді, біреуі 0-ді, екіншісі 1-ді көрсетеді. Көбірек қолданылатын схема – дифференциалдық бинарлық фазалық модуляция, онда тасымалдаушы жиілігі өзгермейді, бірақ екі фазаның бірінде болуы мүмкін. Әрбір символ кезінде фаза өзгермейді (0 ретінде кодталады) немесе 180°-қа өзгереді (1 ретінде кодталады). Тағы да, әрбір символ арқылы тек бір ғана дерек биті (яғни 0 немесе 1) беріледі. Бұл деректің символдардың өзінде (нақты фаза) емес, символдар арасындағы өтулерде (фазаның өзгеруі) кодталуының мысалы. (Фазалық модуляцияда мұның себебі – хабар таратушының анықтамалық фазасын білу қиындығында.)
N-арлы модуляция, N 2-ден жоғары
Тасымалдағыш сигнал қабылдай алатын күйлердің санын арттыру арқылы әрбір символға кодталған биттердің саны біреуден көп болуы мүмкін. Осылайша, биттік жылдамдық символдық жылдамдықтан асып түсуі мүмкін. Мысалы, дифференциалды фазалық модуляция жүйесі символдар арасындағы фазада төрт түрлі өзгеріске мүмкіндік беруі мүмкін. Содан кейін әрбір символ интервалында екі бит кодталып, символ жылдамдығының екі еселенген деңгейіне қол жеткізіледі. 16 QAM сияқты күрделі схемада әрбір символ арқылы төрт бит дерек жіберіледі, нәтижесінде биттік жылдамдық символ жылдамдығынан төрт есе жоғары болады.
2 көтерілмейтін
Символдар санын 2-нің дәрежесіне таңдау және бір бодқа толыққанды биттер санын жіберу жиі кездесетін жағдай болғанымен, бұл талап емес. Биполярлық кодтау және MLT-3 сияқты желілік кодтар бір бодқа бір битті кодтау үшін үш тасымалдаушы күйін пайдаланады, сонымен қатар DC тепе-теңдігін сақтайды. 4B3T желілік коды төрт дерек битін тарату үшін үш 3-тік модульденген биттерді қолданады, яғни бодқа 1,3 бит айналады.
Деректер жылдамдығы мен қателік жылдамдығы
Тасымалдаушыны модуляциялау жиілік диапазонын немесе жолақты кеңейтеді. Тарату арналары, әдетте, тасымалдай алатын жолақтың енімен шектеледі. Жолақтың ені символдың (модуляцияның) жылдамдығына байланысты (біттік жылдамдыққа тікелей емес). Биттік жылдамдық – символдың жылдамдығы мен әрбір символға кодталған биттер санының көбейтіндісі болғандықтан, егер символдың жылдамдығы белгілі болса, соңғысын арттыру тиімді. Дегенмен, символға кодталған әрбір қосымша бит үшін символдардың шоқжұлдызы (тасымалдаушының күйлерінің саны) екі есеге артады. Бұл күйлерді бір-бірінен ажыратуды қиындатады, нәтижесінде қабылдағышқа арнадағы кедергілер кезінде символды дұрыс анықтау қиын болады. Модемдердің тарихы – белгілі бір жолақтың еніндегі биттік жылдамдықты (демек, максималды символдың жылдамдығын) арттыруға жасалған тыраштандыру, бұл символға арналған биттердің көбеюіне әкелді. Мысалы, ITU T V.29 стандарты символ үшін 4 битті белгілейді, символдың жылдамдығы 2400 бод, ал тиімді биттік жылдамдық секундына 9600 битті құрайды. Таралған спектрдің тарихы кері бағытта дамыды, жолақты кеңейту үшін символға арналған деректер битінің саны азайды. GPS мысалында, деректер жылдамдығы 50 бит/с, ал символдың жылдамдығы 1.023 Мчип/с. Егер әр чип символ ретінде қарастырылса, онда әрбір символ бір биттен кем болады (50 бит/с / 1,023 ксимвол/с ≈ 0,00005 бит/символ). Белгілі бір арнадағы М мүмкін символдардың толық жиынтығы М-дық модуляция схемасы деп аталады. Көптеген модуляция схемалары символға шамамен b биттің толық санын жібереді, бұл толық жиынтықтың M = 2b әртүрлі символдан тұруын талап етеді. Көптеген танымал модуляция схемаларын шоқжұлдыздық диаграммадағы әрбір нүкте арқылы сипаттауға болады, бірақ кейбір модуляция схемалары (мысалы, MFSK, DTMF, импульстік позициялық модуляция, таралған спектр модуляциясы) басқаша сипаттаманы қажет етеді.
Маңызды жағдай
Телекоммуникация саласында тасымалдаушының модуляциясына қатысты маңызды шарт – ақпаратты беру үшін таңдалған сигналдың бір параметрі болып табылады. Бұл шарт электр тогы (кернеу немесе қуат деңгейі), оптикалық қуат деңгейі, фазалық мән, немесе нақты бір жиілік немесе толқын ұзындығы болуы мүмкін. Маңызды шарттың ұзақтығы – екі тікелей маңызды сәт арасындағы уақыт интервалы. Маңызды шарттарды қабылдағыш, демодулятор немесе декодер сияқты арнайы құрылғы анықтайды. Декодер алынған сигналды оның көздеген логикалық мәніне аударады, мысалы, екілік сан (0 немесе 1), әріп, белгі немесе бос орын. Әрбір маңызды сәт, тиісті құрылғы жазу, өңдеу немесе сүзгілеу сияқты нақты функцияны орындауға қолданылатын жағдайға немесе күйге жеткенде анықталады.