Введение

Скорость модуляции цифрового сигнала

В цифровом модулированном сигнале или коде линейного кодирования, скорость символов, скорость модуляции или скорость передачи в бодах – это количество изменений символов, изменений формы сигнала или событий сигнализации, происходящих в среде передачи за единицу времени. Скорость символов измеряется в бодах (Bd) или символах в секунду. В случае кодирования линейным кодом, скорость символов соответствует частоте следования импульсов в импульсах в секунду. Каждый символ может представлять или передавать один или несколько битов данных. Скорость символов связана с общей скоростью передачи данных, выраженной в битах в секунду.

Символы

Символ может быть описан как импульс в цифровой передаче с несущей частотой равной нулю или как тон в передаче с несущей частотой, отличной от нуля, с использованием модемов. Символ – это форма сигнала, состояние или значимое условие канала связи, которое сохраняется в течение фиксированного промежутка времени. Передающее устройство помещает символы в канал с фиксированной и известной скоростью символов, а принимающее устройство должно определить последовательность символов для восстановления переданных данных. Между символом и небольшой единицей данных может существовать прямое соответствие. Например, каждый символ может кодировать один или несколько двоичных разрядов (битов). Данные также могут быть представлены переходами между символами или даже последовательностью множества символов. Время длительности символа, также известное как интервал, может быть непосредственно измерено как время между переходами при анализе диаграммы глаза на осциллографе. Время длительности символа Ts можно рассчитать следующим образом:

где fs – скорость символов. Например, скорость передачи 1 кБд = 1000 Бд эквивалентна скорости символов 1000 символов в секунду. В случае модема это соответствует 1000 тонам в секунду, а в случае кодирования линий – 1000 импульсам в секунду. Время длительности символа составляет 1/1000 секунды = 1 миллисекунда.

Коды линий для базовой передачи

В случае базового канала, такого как телеграфная линия, последовательный кабель или кабель витой пары локальной сети, данные передаются с использованием кодов линий, то есть импульсов, а не синусоидальных тонов. В этом случае скорость передачи в бодах является синонимом частоты импульсов в импульсах в секунду. Максимальная скорость передачи или частота импульсов для базового канала называется частотой Найквиста и равна удвоенной полосе пропускания (удвоенной частоте среза). Самые простые цифровые каналы связи (такие как отдельные провода на материнской плате или последовательный порт RS 232 / COM-порт) обычно имеют скорость символов, равную скорости передачи битов. Распространенные каналы связи, такие как 10 Мбит/с Ethernet (10BASE T), USB и FireWire, обычно имеют скорость передачи данных немного ниже скорости передачи в бодах из-за накладных расходов на дополнительные символы, не содержащие данные, используемые для самосинхронизации и обнаружения ошибок. Ж. М. Эмиль Бодо (1845–1903) разработал пятибитный код для телеграфов, который был стандартизирован на международном уровне и обычно называется кодом Бодо. В передовых методах, таких как FDDI и 100/1000 Мбит/с Ethernet LAN, и других, для достижения высоких скоростей передачи данных используется более двух уровней напряжения. Кабели Ethernet LAN со скоростью 1000 Мбит/с используют четыре пары проводов в полнодуплексном режиме (250 Мбит/с на пару в обоих направлениях одновременно) и несколько бит на символ для кодирования полезной нагрузки данных.

Отношение к чип-стадию

Некоторые каналы связи (такие как передачи GPS, сотовые телефоны CDMA и другие каналы с расширенным спектром) имеют скорость передачи символов значительно выше, чем скорость передачи данных (они передают множество символов, называемых чипами, на каждый бит данных). Представление одного бита последовательностью чипов, состоящей из множества символов, позволяет снизить влияние помех от других передатчиков, использующих тот же частотный канал, включая радиопомехи, и широко распространено в военной радиосвязи и сотовых телефонах. Несмотря на то, что использование большей полосы пропускания для передачи той же скорости передачи данных приводит к низкой спектральной эффективности канала в (бит/с)/Гц, это позволяет обслуживать множество одновременных пользователей, что обеспечивает высокую спектральную эффективность системы в (бит/с)/Гц на единицу площади. В таких системах скорость передачи символов физически передаваемого высокочастотного сигнала называется частотой чипов, которая также соответствует частоте импульсов эквивалентного сигнала базовой полосы. Однако в системах с расширенным спектром термин "символ" может также использоваться на более высоком уровне и обозначать один бит информации или блок битов информации, которые модулируются, например, с использованием стандартной QAM-модуляции, перед применением кода расширения CDMA. При таком определении скорость передачи символов равна или меньше скорости передачи битов.

Отношение к битовой погрешности

Недостатком передачи большого количества битов на символ является то, что приемнику приходится различать множество уровней сигнала или символов, что может быть сложной задачей и приводить к битовым ошибкам, особенно при использовании некачественной телефонной линии с низким отношением сигнал/шум. В этом случае модем или сетевой адаптер может автоматически выбрать более медленную и устойчивую схему модуляции или линейный код, использующую меньшее количество битов на символ, чтобы снизить вероятность возникновения битовых ошибок. Оптимальный набор символов разрабатывается с учетом полосы пропускания канала, требуемой скорости передачи информации, шумовых характеристик канала и приемника, а также сложности приемника и декодера.

Модуляция

Многие системы передачи данных работают, используя модуляцию несущего сигнала. Например, в частотной манипуляции (FSK) частота тона изменяется в пределах небольшого, фиксированного набора возможных значений. В синхронной системе передачи данных тон может изменяться с одной частоты на другую только в регулярные и чётко определённые моменты времени. Присутствие определённой частоты в течение одного из этих моментов времени представляет собой символ. (Понятие символа неприменимо к асинхронным системам передачи данных.) В модулированной системе термин "скорость модуляции" может использоваться как синоним термина "скорость символов".

Бинарная модуляция

Если сигнал несущей имеет только два состояния, то в каждом символе может быть передан только один бит данных (то есть 0 или 1). В этом случае битовая скорость равна скорости передачи символов. Например, в двоичной системе FSK несущая может принимать одну из двух частот, одна из которых представляет 0, а другая – 1. Более практичным решением является дифференциальная бинарная фазовая манипуляция, в которой несущая остается на той же частоте, но может иметь одну из двух фаз. Во время каждого символа фаза либо остается неизменной, кодируя 0, либо изменяется на 180°, кодируя 1. Опять же, каждый символ передает только один бит данных (то есть 0 или 1). Это пример кодирования данных в переходах между символами (изменении фазы), а не в самих символах (фактической фазе). (Причина этого в фазовой манипуляции заключается в том, что определение опорной фазы передатчика непрактично.)

N-арная модуляция, N больше 2

Увеличивая число состояний, которые может принимать несущий сигнал, число битов, кодируемых в каждом символе, может быть больше единицы. Битовая скорость передачи данных тогда может превышать скорость символов. Например, в системе дифференциальной фазовой манипуляции может быть предусмотрено четыре возможных изменения фазы между символами. Тогда в каждом интервале символа можно закодировать два бита, достигая скорости передачи данных, вдвое превышающей скорость символов. В более сложной схеме, такой как 16 QAM, в каждом символе передается четыре бита данных, что обеспечивает скорость передачи данных в четыре раза больше скорости символов.

Не в степень 2

Хотя обычно выбирают количество символов в степени двойки и передают целое число бит в течение одного периода передачи (бода), это не обязательно. Линейные коды, такие как биполярное кодирование и MLT-3, используют три состояния несущей для кодирования одного бита в период передачи, поддерживая при этом баланс постоянного тока. Линейный код 4B3T использует три троичных модулированных бита для передачи четырех битов данных, что соответствует скорости 1,3 бита в период передачи.

Скорость передачи данных по сравнению с частотой ошибок

Модулирование несущей увеличивает диапазон частот, или полосу пропускания, занимаемую сигналом. Каналы передачи данных обычно ограничены по полосе пропускания. Полоса пропускания зависит от скорости символов (модуляции), а не напрямую от скорости передачи битов. Поскольку скорость передачи битов является произведением скорости символов и количества битов, закодированных в каждом символе, очевидно, что выгодно увеличивать последнее, если первое фиксировано. Однако, с каждым дополнительным битом, закодированным в символе, созвездие символов (количество состояний несущей) удваивается по размеру. Это делает состояния менее различимыми друг от друга, что, в свою очередь, затрудняет приемнику правильное определение символа в условиях помех в канале. История развития модемов – это попытка увеличить скорость передачи битов при фиксированной полосе пропускания (и, следовательно, фиксированной максимальной скорости символов), что приводит к увеличению количества битов на символ. Например, ITU T V.29 определяет 4 бита на символ при скорости символов 2400 бод, что обеспечивает эффективную скорость передачи битов 9600 бит в секунду. История развития широкополосной связи (spread spectrum) идет в противоположном направлении, приводя к уменьшению количества информационных битов на символ для расширения полосы пропускания. В случае GPS скорость передачи данных составляет 50 бит/с, а скорость символов – 1,023 Мчипа/с. Если каждый чип считать символом, то каждый символ содержит значительно меньше одного бита (50 бит/с / 1023 ксимволов/с ≈ 0,00005 бит/символ). Полный набор из M возможных символов для конкретного канала называется M-арной схемой модуляции. Большинство схем модуляции передают целое число битов на символ b, требуя, чтобы полный набор содержал M = 2b различных символов. Большинство популярных схем модуляции можно описать, показав каждую точку на диаграмме созвездия, хотя некоторые схемы модуляции (такие как MFSK, DTMF, импульсно-позиционная модуляция, модуляция с расширением спектра) требуют иного описания.

Значительное состояние

В телекоммуникациях, при модуляции несущей, важным условием является один из параметров сигнала, выбранный для представления информации. Важным условием может быть электрический ток (напряжение или уровень мощности), уровень оптической мощности, фазовое значение или определенная частота или длина волны. Длительность важного состояния – это интервал времени между последовательными важными моментами. Важные состояния распознаются соответствующим устройством, называемым приемником, демодулятором или декодером. Декодер преобразует фактически полученный сигнал в его предполагаемое логическое значение, такое как двоичная цифра (0 или 1), алфавитный символ, метка или пробел. Каждый важный момент определяется, когда соответствующее устройство переходит в состояние, пригодное для выполнения определенной функции, такой как запись, обработка или переключение.