Что такое скорость модуляции
СОДЕРЖАНИЕ
Символы
Отношение к общей скорости передачи данных
Разница между бодами (или скоростью передачи сигналов) и скоростью передачи данных (или битовой скоростью) подобна человеку, использующему один семафорный флаг, который может перемещать руку в новое положение раз в секунду, поэтому его скорость передачи сигналов (бод) составляет один символ. в секунду. Флаг можно удерживать в одном из восьми различных положений: прямо вверх, 45 ° влево, 90 ° влево, 135 ° влево, прямо вниз (это состояние покоя, когда он не посылает сигнал), 135 ° вправо, 90 °. вправо и 45 ° вправо. Каждый сигнал (символ) несет три бита информации. Для кодирования восьми состояний требуется три двоичных цифры. Скорость передачи данных составляет три бита в секунду. В Военно-морском флоте одновременно могут использоваться более одного образца флага и рукава, поэтому их комбинации дают много символов, каждый из которых передает несколько битов, что обеспечивает более высокую скорость передачи данных.
В этом случае используются M = 2 N различных символов. В модеме это могут быть синусоидальные тона с уникальными комбинациями амплитуды, фазы и / или частоты. Например, в модеме 64QAM M = 64. В линейном коде это могут быть M различных уровней напряжения.
Принимая информацию на импульс N в битах / импульсах как логарифм с основанием 2 для количества отдельных сообщений M, которые могут быть отправлены, Хартли построил меру полной скорости передачи R как:
Модемы для передачи с полосой пропускания
Модуляция используется в каналах с полосой пропускания, таких как телефонные линии, радиоканалы и другие каналы с частотным разделением каналов (FDM).
Один символ может нести один или несколько битов информации. В модемах голосового диапазона для телефонной сети обычно один символ содержит до 7 бит.
Передача более одного бита на символ или бит на импульс имеет преимущества. Это сокращает время, необходимое для отправки определенного количества данных через ограниченную полосу пропускания. Может быть достигнута высокая спектральная эффективность в (бит / с) / Гц; т.е. высокая скорость передачи в битах / с, хотя полоса пропускания в герцах может быть низкой.
Примеры модемов для голосовой связи:
Линейные коды для передачи в основной полосе частот
В случае канала основной полосы частот, такого как телеграфная линия, последовательный кабель или кабель витой пары локальной сети, данные передаются с использованием линейных кодов; т. е. импульсы, а не синусоидальные тона. В этом случае скорость передачи данных является синонимом частоты импульсов в импульсах в секунду.
Максимальная скорость передачи или частота следования импульсов для канала основной полосы частот называется скоростью Найквиста и равна удвоенной ширине полосы (удвоенной частоте среза).
Простейшие цифровые каналы связи (например, отдельные провода на материнской плате или последовательный порт RS-232 / COM-порт) обычно имеют символьную скорость, равную общей скорости передачи данных.
Кабели локальной сети Ethernet 1000 Мбит / с используют четыре пары проводов в полнодуплексном режиме (250 Мбит / с на пару в обоих направлениях одновременно) и много бит на символ для кодирования полезной нагрузки данных.
Пример цифрового телевидения и OFDM
При передаче цифрового телевидения расчет символьной скорости:
скорость передачи символов в символах в секунду = (Скорость передачи данных в битах в секунду × 204) / (188 × бит на символ)
Количество битов на символ равно (мощность модуляции 2) × (прямая коррекция ошибок). Так, например, в модуляции 64-QAM 64 = 2 6, поэтому бит на символ равен 6. Прямая коррекция ошибок (FEC) обычно выражается дробью; т.е. 1/2, 3/4 и т. д. В случае 3/4 FEC на каждые 3 бита данных вы отправляете 4 бита, один из которых предназначен для исправления ошибок.
заданная скорость передачи = 18096263 Тип модуляции = 64-QAM FEC = 3/4
символьная скорость знак равно 18096263 6 ⋅ 3 4 204 188 знак равно 18096263 6 4 3 204 188 знак равно 4363638 <\ displaystyle <\ text <символьная скорость>> = <\ cfrac <18096263> <6 \ cdot <\ frac <3><4>>>>
<\ cfrac <204><188>> = 4363638> 
Связь с чиповой ставкой
Связь с частотой ошибок по битам
Недостаток передачи большого количества битов на символ состоит в том, что приемник должен различать многие уровни сигнала или символы друг от друга, что может быть затруднительным и вызывать битовые ошибки в случае плохой телефонной линии, которая страдает от низкого отношения сигнал / шум. В этом случае модем или сетевой адаптер может автоматически выбрать более медленную и более надежную схему модуляции или линейный код, используя меньшее количество бит на символ, чтобы уменьшить частоту ошибок по битам.
Оптимальный дизайн набора символов принимает во внимание полосу пропускания канала, желаемую скорость передачи информации, шумовые характеристики канала и приемника, а также сложность приемника и декодера.
Модуляция
Двоичная модуляция
Не степень 2
Скорость передачи данных по сравнению с частотой ошибок
Существенное состояние
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Скорость модуляции выражается в бодах. Численно скорость модуляции в бодах равна величине, обратной длине единичного интервала, выраженной в секундах. [1]
Скорость модуляции в бодах есть величина, обратная минимальной длительности посылки, измеренной в секундах. Соотношение между скоростью модуляции в бодах и скоростью передачи дискретной информации в бит / с зависит от того, какое реальное содержание имеет та или иная посылка. Например, при передаче информации по стартетомным телеграфным каналам в любой комбинации, кроме пяти информационных посылок, каждая из которых несет одну двоичную единицу информации ( бит), содержатся одна стартовая посылка и полторы стоповых, не несущих полезной для абонента информации. Таким образом, фактическая скорость передачи инфор) мации в рассматриваемом примере составляет лишь 2 / 3 от скорости модуляции. [2]
Скорость модуляции 200 бод рекомендуется для работы по коммутируемым телефонным каналам в том случае, когда нужно обеспечить одновременную передачу информации в обоих направлениях. [3]
Скорость модуляции сигнала выражается через продолжительность самого короткого передаваемого сигнального элемента, поскольку именно она определяет самые жесткие требования к ширине полосы канала передачи. Скорость модуляции выражается в бодах. Численно скорость модуляции в бодах равна величине, обратной длине единичного интервала, выраженной в секундах. [4]
Для синхронной передачи скорость модуляции в бодах равна произведению числа символов в секунду на число битов на символ, в котором учтены и информационные, и контрольный биты. [7]
При асинхронной передаче скорость модуляции в бодах равна произведению числа символов в секунду на число кодовых единиц. [8]
Для синхронной передачи скорость модуляции в бодах равна произведению числа символов в секунду на число битов на символ, в котором учтены и информационные, и контрольный биты. [9]
При асинхронной передаче скорость модуляции в бодах равна произведению числа символов в секунду на число кодовых единиц. [10]
При этом увеличение скорости модуляции приводит к существенному снижению использования каналов связи. [12]
Для телеграфной передачи рекомендовано три значения скорости модуляции : 50, 100 и 200 Бод, которые определяются физиологическими возможностями операторов, обслуживающих оконечную аппаратуру. [13]
Теория радиоволн: аналоговая модуляция
Амплитудная модуляция
При амплитудной модуляции, огибающая амплитуд несущего колебания изменяется по закону, совпадающему с законом передаваемого сообщения. Частота и фаза несущего колебания при этом не меняется.
Одним из основных параметров АМ, является коэфициент модуляции(M).
Коэффициент модуляции — это отношение разности между максимальным и минимальным значениями амплитуд модулированного сигнала к сумме этих значений(%).
Проще говоря, этот коэффициент показывает, насколько сильно значение амплитуда несущего колебания в данный момент отклоняется от среднего значения.
При коэффициенте модуляции больше 1, возникает эффект перемодуляции, в результате чего происходит искажение сигнала.
Данный спектр свойственен для модулирующего колебания постоянной частоты.
На графике, по оси Х представлена частота, по оси У — амплитуда.
Для АМ, кроме амплитуды основной частоты, находящейся в центре, представлены также значения амплитуд справа и слева от частоты несущей. Это так называемые левая и правая боковые полосы. Они отнесены от частоты несущей на расстояние равное частоте модуляции.
Расстояние от левой до правой боковой полосы называют ширина спектра.
В нормальном случае, при коэффициенте модуляции
Что такое скорость модуляции
Основы передачи дискретных сообщений
Тема 6. Устройства преобразования сигнала
Согласование может производиться по:
Согласование спектра может производиться двумя путями:
Известно, что спектр последовательности прямоугольных импульсов имеет вид (sin x)/x с максимумом на нулевой частоте. Основная энергия сигналов в этом случае сосредоточена в полосе частот 
Канал связи, из-за наличия развязывающих трансформаторов, не пропускает постоянную составляющую. Из-за этого однополярные сигналы будут испытывать значительные искажение.
6.1 ПЕРЕКОДИРОВАНИЕ
При перекодировании исходные сигналы заменяются сигналами другой структуры спектральные характеристики которых лучше согласуются с параметрами заданного канала связи.
Помимо основной задачи – согласования спектров при перекодировании стараются подобрать такой код, который обеспечивал бы:
Простейшим решением является биполярный код (None return zero NRZ)
Преимущество: малая полоса пропускания; простая реализация; нет избыточности.
Недостатки: потеря синхронизации при длинных сериях элементов одного знака.
Обычно при перекодировании в сигнал вводится избыточность.
Различают два способа введения избыточности.
1. Увеличение в процессе перекодирвания основания кода (увеличение числа значащих позиций было две значащих позиции, а стало 3).
Например, код с чередованием полярности (КЧП он же AMI)
2. При втором подходе каждый элемент на единичном интервале заменяется двумя разнополярными импульсами
1 
01
0 10
Очевидно, что избыточность такого кода 0,5 (то есть больше чем у КЧП)
+ Так как сигнал изменяется по крайней мере один раз на единичном интервале, то такой код обладает хорошими самосинхронизирующими свойствами.
+ Отсутствие постоянной составляющей
+ Если перепада на единичном интервале нет, то ошибка
Рассмотренный код называют МАНЧЕСТЕРСКИМ
Он находит широкое применение в технологиях локальных сетей, а именно в Ethernet и Token ring.
Следует обратить внимание на спектр кода.
При чередовании 1 и 0 основная гармоника спектра становиться в два раза ниже (по частоте) в сравнении с ситуацией, когда идут элементы одного знака.
(Применительно к Ethernet со скоростью 10 Мбит /с, частота несущей 5 или 10 МГц.)
Для вхождения в синхронизм перед каждым пакетом передается преамбула, составляющая из 7 байт чередования 10101010 и восьмого 10101011.
Оба подхода позволяют устранить постоянную составляющую, чем и достигается согласование.
Потенциальный код 2B1Q
В сетях ISDN и системах xDSL широкое применение находит код 2B1Q.
Для передачи используется 4 значащих позиции, при этом один импульс несёт 2 бита информации
Очевидно, что для данного кода скорость передачи информации в два раза выше скорости модуляции R=2B, или можно сказать при заданной R требуется меньшая полоса частот канала.
Применение логического кодирования для улучшения свойств потенциальных кодов.
Потенциальные коды КЧП, Биполярный Код, 2B1Q-имеют более узкую полосу частот, что является их преимуществом, но страдают появлением постоянной составляющей и потерей синхронизации при передаче длинных серий одинаковых элементов или групп.
Для борьбы с этим явлением применяют логическое кодирование (ЛК).
ЛК – заменяет длинные последовательности элементов, приводящих к постоянному потенциалу другими последовательностями устраняющими данный недостаток.
Для логического кодирования характерны 2 метода:
Избыточные коды основаны на разбиении исходной последовательности на порции (символы) и замене исходной порции, новой имеющей большее количество бит.
Так как символы содержат избыточные биты, то общее количество кодовых комбинаций в них больше, чем в исходных.
Например, код 4В/5В. Каждые четыре элемента исходной последовательности заменяются пятью элементами выходного кода. Выходные элементы выбираются таким образом, чтобы избежать длинных серий “опасных” элементов приводящих к появлению постоянки или потере синхронизации. Остальные комбинации выходного кода считаются запрещёнными, что позволяет обнаружить ошибки.
устранение постоянной составляющей
улучшение синхронизирующих свойств
обнаружение ошибок.
4В/5В используется в FDDI и Fast Ethernet.
8B/6T – Fast Ethernet.
8В/10В – Gigabit Ethernet
Скремблирование – обратимое преобразование структуры цифрового потока без изменения скорости передачи с целью получения свойств случайной последовательности.
6.2 Методы преобразования спектра с использованием несущей
Чаще всего в качестве несущей используют гармоническое колебание:
Воздействуя на соответствующий параметр амплитуду, частоту или фазу, получаем соответственно амплитудную, частотную или фазовую модуляцию
Рассмотрим данные виды модуляции с точки зрения их применимости в технике передачи данных.
Рассмотрим связь ширины спектра и скорости модуляции.
Известно, что если на вход идеального фильтра (с прямоугольной АЧХ и линейной ФЧХ) подать ступенчатую функцию, то на выходе будет присутствовать переходной процесс, длительность которого обратно пропорциональна граничной частоте ФНЧ.
Длительность импульса передаваемого через такую систему не может быть менее чем время нарастания.
Значит, минимальная длительность сигнала равна 
.
Учитывая, что 
получим для ФНЧ 
.
Если задана полоса пропускания канала 
, то необходимо выбирать 
так, что бы 
.
Оценим предельный случай 
, тогда 
.
Значит предельная скорость передачи по каналу при АМ 
.
Спектр сигнала в этом случае выглядит так
Можно записать 
,
Проведем оценку предельной скорости модуляции при ЧМ
Пусть задана полоса канала 
При максимальном использовании полосы канала 
.
Определим ширину полосы канала постоянного тока 
или
Учитывая что 
.
Так как 
получим 
Таким образом, при заданном значении максимальная скорость модуляции при ЧМ меньше, чем при АМ, но помехоустойчивость при частотной модуляции выше, поэтому она находит ограниченно применение в системах передачи дискретных сообщений.
Рекомендация V.23 R=B=600 или 1200
КТЧ делится на основной и обратный канал.
основной при 1200 бит/с fср=1700, 
при 600 бит/с fср=1500, 
Обратный R=75 бит/с для передачи сигналов подтверждения качества приёма.
В данном случае амплитуда и частоты постоянны, изменяется фаза в соответствии с модулирующим сигналом.
Если модулирующий сигнал двоичный “1” или “0”, то значение фазы модулирующего сигнала тоже две. Это значение отсчитывается от фазы несущей.
Обычно, при передачи “1” модулятор формирует синусоидальный сигнал, фаза которого совпадает с фазой несущей. При 
Из диаграммы видно, что ФМ состоит, как бы, из двух АМ сигналов несущие которых имеют одинаковую частоту, а фазы сдвинуты на 180°
Поэтому спектр ФМ сигнала будет таким же, как у АМ по ширине, а несущая подавляется из-за противофазности. Но все составляющие увеличатся в 2 раза. Так как амплитуды составляющих больше, то у ФМ выше помехоустойчивость.
Для ФМ можно записать 
.
Структурные схемы ФМ – сигнала
Дискретный канал с ФМ
На приемной стороне при демодуляции принятый сигнал сравнивается с опорным сигналом, при этом если фазы совпадают, то была 1, нет – 0.
Относительная фазовая модуляция.
Исключение явление “обратной работы” обеспечивается относительной фазовой модуляции ОФМ.
При ОФМ отсчет фазы передаваемого сигнала производится не относительно несущей, а относительно предыдущего элемента.
При модуляции единицы, фаза элементов такая же, как у предыдущего, при нуле меняется на противоположную.
Следует отметить, что фаза первого элемента неопределенна, так как для него нет предыдущего. Прием начинается со второго элемента.
Для получения ОФМ используют те же модуляторы, что для АФМ, но перед подачей на модулятор исходную последовательность перекодируют.
Если в исходной последовательности 0, то соответствующий элемент выходной последовательности изменяется на противоположный относительно предыдущего. Если “1”, то текущий элемент такой же, как предыдущий.
Прием ОФМ сигналов возможен двумя способами.
1. способом сравнения фаз (некогерентный прием);
2. способом сравнения полярностей (когерентный).
В данном случае схема устройства выделения опорного сигнала формирует его из рабочей последовательности. Далее идет сравнение фазы каждого единичного элемента с фазой опорного, как у АФМ. Полученная в результате последовательность поступает в ПКУ, где перекодируется, и на выходе получаем исходную последовательность, так как информация заложена в изменении фазы относительно предыдущего. “Обратной работы” не будет. Однако при ошибке в одном элементе вылетают два, этот и последующий, который с ним сравнивается.
Правила перекодирования ПКУ приема: Если во входной последовательности изменилась значащая позиция, то в выходной последовательности – 0, если нет – 1.
Сравнение способов приема:
Следует заметить, что один ошибочный элемент до ПКУ вызывает две ошибки после ПКУ.
ОФМ используется в модемах разработанных по рекомендации V.26 на скорости 1200 бит / сек.
Многопозиционная фазовая модуляция.
Как было показано ранее, скорость модуляции в канале определяется шириной спектра канала:
Таким образом, максимальная скорость модуляции, которую теоретически можно достичь в кТЧ 6,2 Бод (передача одной боковой) 3,1 кБод (при передаче двух боковых).
Реально же в модемах используются скорости модуляции обычно 1200 и 2400 Бод.
Если для передачи использовать двухпозиционный сигнал, то скорость передачи информации будет такой же низкой R=B=2400 Бит/сек.
Такие скорости сегодня не устраивают потребителя.
Выходом в данном случае является использование сигналов переносящих более чем 1 бит информации (то есть многопозиционных сигналов).
Многопозиционный сигнал имеет более чем две значащих позиции
Число значащих позиций
информационная емкость элемента
Применение данного принципа к относительно фазовой модуляции называется многопозиционной ОФМ.
Рассмотрим простейший случай Двукратная ОФМ.
двукратная или четырехпозиционная.
При ДОФМ два соседних сигнала могут отличаться по фазе на одно из четырех возможных значений.
Первоначально исходная последовательность разбивается на дибиты (по 2 элемента), а затем каждый дибит кодируется на единичном интервале в соответствии с модуляционным кодом.
В данном случае обеспечивается R=2B.
Диаграмма ДОФМ на сигнальной плоскости выглядит так.
Еще более повысить скорость R можно используя:
трехкратную (восьмипозиционную) или
четырехкратную (шестнадцати позиционную ) модуляции.
Однако при увеличении числа разрешенных сдвигов фаз резко уменьшается помехоустойчивость ОФМ.
Уменьшается расстояние между разрешенными сигналами в пространстве. Вследствие этого, ОФМ кратностью более трех не используется.
В КАМ изменяется не только фаза, но и амплитуда. На рисунке показана диаграмма КАМ – 16.
получать скорость передачи информации 2400 ´ 4 = 9600 бит/с.
Такая модуляция используется в протоколе
V. 32, R до 9600 в.p.s.
Квадратурная модуляция имеет большую помехоустойчивость в сравнении с многократной ОФМ. Но при увеличении числа позиций свыше 16 и ее помехоустойчивость оказывается недостаточно для качественной передачи.
Поэтому во всех современных высокоскоростных протоколах КАМ используется, в совокупности с помехоустойчивым кодированием.