Многомодовый кабель из пластика является самым дешевым, но обладает самыми худшими характеристиками.

⇐ ПредыдущаяСтр 5 из 5

В стержне многомодового кабеля свет может распространяться не только прямолинейно (по нескольким модам). Чем больше мод, тем уже пропускная способность кабеля. Так, на 100 м максимальная частота сигнала на длине волны 850 нм для многомодового составляет 1600 МГц, для одномодового - 888 ГГц.

Распространение света в многомодовом волокне можно достаточно хорошо описать на языке геометрической оптики как распространение лучей, для которых выполнено условие ПВО. Оптические лучи могут распространяться под разными углами к оси волокна (рис.8.15). Более точный анализ на основе волнового подхода показывает, что лучи в волокне могут распространяться не под любым углом к оси, а только под углами, удовлетворяющими условию конструктивной интерференции. Совокупность лучей, распространяющихся под углами, удовлетворяющими условию конструктивной интерференции, называются волноводными модами.

Рис. 8.15. Распространение лучей в оптическом кабеле

В общем случае разность фаз между парами отраженных лучей не постоянна, поэтому в некоторых точках вдоль оси наблюдается интерференционное сложение амплитуд (конструктивная интерференция), в других – интерференционное гашение (деструктивная интерференция). Только для совокупности лучей, распространяющихся под углами, удовлетворяющими условию конструктивной интерференции, распределение интенсивности не меняется вдоль волокна.

Если диаметр сердцевины и разность показателей преломления волокна достаточно малы, то световое может распространяться в виде только одной моды. Критическая длина волны называется длиной волны отсечки.

Стержень и оболочка многомодового кабеля могут быть изготовлены из стекла или пластика, в то время как у одномодового - только из стекла. Для одномодового кабеля источником света является лазер, для многомодового - светодиод.

Для многомодового кабеля характерны следующие помехи: модальная дисперсия и хроматическая дисперсия. Модальная дисперсия заключается в том, что на большом расстоянии начинает сказываться многомодовость кабеля - световой импульс, идущий по самой длинной моде (неаксиальный луч) начинает «отставать» от импульса, идущего по центральной моде (аксиальный луч). В результате этого промежуток между импульсами должен быть больше, чем разница между аксиальным и неаксиальным лучами. Хроматическую дисперсию по-другому можно назвать «эффектом радуги» - когда световой сигнал разделяется на световые компоненты. Так как волны света различной длины пропускаются световодом по-разному, то на больших расстояниях хроматическая дисперсия может привести к потере передаваемых данных - световые компоненты одного сигнала будут накладываться на световые компоненты другого.

Многомодовый волоконно-оптический кабель может быть со ступенчатым или плавным отражением сигнала. Кабель с плавным отражением сигнала имеет многослойную оболочку с разными коэффициентами отражения у каждого слоя, и лучшие характеристики по сравнению с кабелем со ступенчатым отражением сигнала. Кабель со ступенчатым изменением коэффициента преломления (single-step fiber) - многомодовый волоконно-оптический кабель со скачкообразным коэффициентом преломления между сердечниками и оболочкой.Кабель с плавным изменением коэффициента (graded-index fiber) - многомодовый волоконно-оптический кабель с плавным изменением коэффициента преломления между сердечниками и оболочкой.

Оптоволоконный кабель широко применяется как для построения локальных связей, так и для образования магистралей глобальных сетей. Оптоволоконный кабель может обеспечить очень высокую пропускную способность канала (до нескольких Гбит/с) и передачу на значительные расстояния (до нескольких десятков километров без промежуточного усиления сигнала). Простейшая волоконно-оптическая система связи передает информацию между двумя точками. Такие системы связи точка-точка называют волоконно-оптическими линиями связи (ВОЛС).

В состав ВОЛС входят: а) передатчик – устройство, преобразующее входные управляющие электрические сигналы в выходные световые сигналы; б) физическая среда передачи информационных сигналов – оптическое волокно; в) регенераторы и/или оптические усилители; г) приемник – устройство, преобразующее входные оптические сигналы в выходные электрические сигналы.

Как правило, источниками световых сигналов служат полупроводниковые лазеры или светодиоды. Световые сигналы, выходящие из передатчика, вводятся в снабженное разъемом волокно и передаются по волоконно-оптической линии. В конце линии свет поступает в фотоприемник, преобразующий его в электрические сигналы, которые затем обрабатываются и используются в приемном оборудовании. Таким образом, обязательными элементами ВОЛС являются передатчик, оптическое волокно и приемник. Для увеличения дальности передачи информации используются регенераторы или оптические усилители сигналов.

Заметим, что еще лет двадцать назад телефонная связь в основном осуществлялась с помощью аналоговых «механических» автоматических телефонных станций (АТС) и кабелей со структурой взаимодействия АТС и абонентов, показанной на рис.8.16.

В настоящее время на смену многопарным медным кабелям пришла волоконно-оптический линия связи (ВОЛС), которая передает цифровой поток со скоростью до 300Мбит/с (рис.8.17) и более (скорость передачи цифрового потока по 4-парному медному проводу 2Мбит/с).

Рис. 8.16. Схема взаимодействия устаревших АТС и абонентов

То есть теперь аналоговый сигнал по медным кабелям входит в АТС. Аналого-цифровой преобразователь (рис.8.18) превращает этот сигнал в цифровой поток 64кбит/с на передачу на прием. Потом 30+2 цифровых потока (2 управляющих) по 64кбит/с объединяются в один 2Мбит-ный поток E1 (ИКМ-тракт). В ВОЛС входит до 64 потоков E1. С ВОЛС снимаются 64 цифровых потока E1, далее каждый разбирается на 64 кбит-ные потоки, и подаются на цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). Получившийся аналоговый сигнал поступает на станцию, и после коммутации к абоненту.

Рис. 8.17. Схема взаимодействия АТС и абонентов с использованием ВОЛС

Рис. 8.18. Аналогово- цифровые и цифро-аналоговые преобразования сигнала

Задание 3.4. Кратко опишите, какие электромагнитные волны радиодиапазона, как среды передачи данных, используются в настоящее время

Представителем естественной среды, используемой для передачи данных передачи данных, является атмосфера (в основном, нижний слой - тропосфера).

Наибольшее распространение в качестве носителей данных в атмосфере получили электромагнитные волны радиодиапазона (табл.2).

Таблица 2.

Название диапазона Длины волн, λ Частоты, ν

Радиоволны Сверхдлинные более 10 км менее 30 кГц

Длинные 10 км — 1 км 30 кГц — 300 кГц

Средние 1 км — 100 м 300 кГц — 3 МГц

Короткие 100 м — 10 м 3 МГц — 30 МГц

Ультракороткие 10 м — 1 мм 30 МГц — 300 ГГц^[4]

Они делятся на: сверхдлинные (декакилометровые), длинные (километровые), средние (гектаметровые), короткие (декаметровые) и ультракороткие. Пять поддиапазонов волн с частотами от 30 МГц до 300 ГГц - метровые, дециметровые, сантиметровые, миллиметровые, субмиллиметровые - принято также называть ультракороткими волнами (УКВ). Кроме того, в последние три поддиапазона часто называют СВЧ-излучением. От длины волны зависит характер распространения электромагнитных волн в атмосфере. Волны, имеющую длину больше, чем у ультракоротковолновых, не представляют большого интереса для сети передачи данных из-за низкой потенциальной скорости передачи данных. Поэтому рассматривать их не будем. В сетях передачи данных нашли применения радиоволны УКВ диапазона, которые распространяются прямолинейно и не отражаются ионосферой (как КВ) и не огибая встречающиеся препятствия (как ДВ или СВ). Поэтому связь в сетях передачи данных, построенных на УКВ радиосредствах, ограничена по расстоянию (до 40 км). Для преодоления этого ограничения обычно используют ретрансляторы.

Национальными комитетами по лицензированию из всего диапазона УКВ выделяются для использования определенные частоты. Например, в США комитетом FCC определены три таких диапазона: 902…928 МГц, 2.4…2.5 ГГц и 5.8…5., 9 ГГц. В Европейском сообществе ETSI определен диапазон, утвержденный директивой ЕС 1.88…1.90 ГГц.

В зависимости от того, какой ширины участок электромагнитных волн используется, сети передачи данных бывают узкополосными и широкополосными. Широкополосные сети могут использовать либо метод множественного доступа с кодовым уплотнением каналов и модуляцией несущей прямой последовательностью (DS-CDMA, DFM), либо метод множественного доступа с кодовым уплотнением каналов за счет скачкообразного изменения частоты (FH-CDMA, FHM).

Радиосвязь используется для создания так называемого беспроводного доступа (БД).

БД применяют в тех случаях, когда оказывается невозможной прокладка кабеля, например, в зданиях, являющихся памятниками архитектуры. С 1990 годов наблюдается рост потребности в сетях БД для передачи данных и других цифровых сообщений в офисах и корпорациях. Это объясняется тем, что телефонные модемы перестали удовлетворять имеющимся потребностям в передаче информации и, в первую очередь, в Интернете. Все большее развитие получает связь с подвижными объектами, по своей природе относящаяся к БД. Если на первых порах такая связь ограничивалась в основном телефонным обменом, и ее успешно обеспечивали системы сотовой телефонии, то к настоящему времени задачи подвижной связи стали более разнообразными. Они включают и передачу данных, в том числе высокоскоростную, и подвижный Интернет, и интерактивную передачу телепрограмм и видеоинформации, и аудио- и видеоконференц-связь, и многое другое. Вам известно, что в настоящее время используются такие сети БД, как Wi-Fi, WiMax, Bluetooth и др.

Большую роль начали играть задачи сопровождения транспортных средств и грузов, задачи мониторинга окружающей среды, медицинского мониторинга, контроля и управления производственными процессами и др. В последнее время появилось много необычных, нетрадиционных задач, которые, как оказалось удобно решать средствами БД. Речь может идти, например, о централизованном управлении домашними электроприборами и радиоаппаратурой, автоматизации поиска товаров на складах, смене цен на ценниках крупных магазинов, помощи слепым, инвалидам и т. п. Уже сейчас большое развитие получили беспроводные микрофоны, системы дистанционного оповещения водителей об обстановке на дорогах и системы дистанционного навигационного обслуживания. Все более широкое использование находят сети БД в медицине для передачи информации о текущем состоянии больного, данных, получаемых при исследовании с помощью зондов, управления медицинскими имплантатами и т. п. Количество направлений использования, а, следовательно, и разнообразие типов актуальных систем БД, в последние годы очень быстро возрастает.

Область обслуживаемая системами радиосвязи или, по-другому, средствами БД, распадается обычно на ряд сот. Каждая сота обслуживается базовой станцией (рис.8.19). Каждая станция обеспечивает доступ к сети на ограниченной территории, площадь и конфигурация которой зависит от рельефа местности и других параметров. Перекрывающиеся зоны покрытия создают структуру, похожую на пчелиные соты; от этого образа и происходит термин «сотовая связь».

Рис. 8.19. Расположение антенн базовой станции сотовой связи

Каждый абонент сети БД оснащается радиооборудованием – абонентским терминалом (АТ), например, мобильным телефоном. АТ, принадлежащий мобильному абоненту может перемещаться из соты в соту в пределах области обслуживания. При перемещении абонента его АТ обслуживается то одной, то другой базовой станцией, причем переключение (смена соты) происходит в автоматическом режиме, совершенно незаметно для абонента, и никак не влияет на качество связи. Такой подход позволяет, используя радиосигналы малой мощности, покрывать сетью мобильной связи большие территории, что обеспечивает этому виду коммуникаций, помимо эффективности, еще и высокий уровень экологичности.

Отдельные соты объединяются в единую систему благодаря общему управляющему устройству (контроллеру сети), соединенному с каждой базовой станцией. Конкретные сети БД редко бывают автономными, то есть не взаимодействующими с другими (внешними) сетями. Как правило, они подключаются к некоторой магистральной сети, так что становится возможным обмен информацией между любыми абонентскими терминалами и произвольными внешними объектами, расстояние до которых практически не ограничено. Указанная магистральная сеть по отношению к рассматриваемой сети БД именуется опорной.

С опорной сетью взаимодействует контроллер сети, через который и осуществляется обмен информацией между сетью БД и опорной сетью. Точка подключения контроллера к опорной сети именуется точкой доступа (ТД). В ТД устанавливается радиооборудование, необходимое для интерфейса между указанными сетями.

Такой способ соединения (а точнее топология сети БД), при которой организуется связь между базовой станцией данной соты и расположенными в этой соте абонентским терминалом, получил название «звезда». При топологии «звезда» все ведомые абонентские терминалы поддерживают связь только с ведущим, который и аккумулирует всю поступающую от них (для них) информацию и транслирует ее по назначению ведомым абонентским терминалам.

Могут использоваться и другие виды топологии, например «точка- точка», когда связь создается между парой абонентов. Вариант «общая шина» основывается на подключении всех абонентских терминалов сети к общему каналу радиосвязи. Ведущая станция обеспечивает занятие шины только одним абонентским терминалом в каждый момент времени, что исключает взаимные помехи между терминалами.

Задание 3.5. Кратко опишите, какие топологий кабельных сетей используются в настоящее время в качестве среды передачи данных

Теоретические предпосылки

Все сети обычно структурированы, то есть состоят из элементов, объединенных определенными связями.

Структурированная кабельная система (Structured Cabling System, SCS) – это набор кабелей, коммутационных элементов (разъемов, коннекторов), а также методика их совместного использования, которая позволяет создавать регулярные, надежные, легко расширяемые структуры связей в вычислительных сетях.

В таких сетях кабели осуществляют не только непосредственное физическое соединение компьютеров друг с другом (как говорят, соединение узлов подключения сети кабелем по схеме «точка- точка»). В структурированных кабельных системах используют и другие схемы физического соединения компьютеров, которые называют топологией сети.

Топология сети, то есть физическая схема, отображающая расположение узлов (точек подключения кабелей) и соединение их кабелем, может быть следующих типов: «общая шина», «звезда», «кольцо».

В шинной (магистральной) топологии используется один кабель, именуемый магистралью или сегментом, к которому подключаются все компьютеры (рис.8.20).

Рис. 8.20. Шинная топология сети

Данные в виде электрических сигналов передаются всем компьютерам сети, однако информацию принимает только тот компьютер, чей адрес соответствует адресу получателя, зашифрованному в этих сигналах. В каждый момент времени отправлять сообщение может только один компьютер, поэтому число подключенных машин значительно влияет на их быстродействие. Примером такой сети с шинной топологией является Eternet 10 Base2 (такую сеть называют еще «тонкой»). Первое число в имени спецификации указывает максимальную скорость передачи данных. Число 10 обозначает скорость передачи 10 Мбит/с. «Base» означает использование в стандарте Baseband- технологии (Baseband –узкополосная передача). При таком способе передачи данных по кабелю каждый бит данных кодируется отдельным электрическим или световым импульсом. При этом весь кабель используется в качестве одного канала связи, то есть одновременная передача двух сигналов невозможна.

Шинную топологию можно расширить. Два кабельных сегмента можно состыковать в один длинный кабель с помощью цилиндрического соединителя BNC (баррел – коннектор).

При звездообразной топологии (рис.8.21) все компьютеры с помощью сегментов кабеля подключаются к модульному компоненту- концентратору (Hub).

Рис. 8.21. Звездообразная топология сети

Концентратор (HUB) представляет собой устройство, предназначенное для соединения компьютеров при использовании топологии «звезда». Концентратор является узловой точкой сети, к которой подключаются компьютеры и периферийные устройства с сетевым интерфейсом. HUB это многопортовый повторитель, который осуществляет функции повторителя сигналов на всех витых парах, подключенных к его портам, так что образуется единая среда передачи данных – логический виртуальный сегмент. У этих устройств состояние активности сети легко наблюдать с помощью световых индикаторов, которыми снабжен каждый порт.

Поскольку при передаче данных HUB усиливает сигнал, то это позволяет увеличить длину сегмента. Звездообразная сеть допускает простую модификацию и добавление компьютеров, не нарушая ее остальной части. Достаточно проложить новый кабель от компьютера к центральному узлу и подключить его к концентратору.

Концентраторы соединяют сегменты, использующие одинаковые или разные типы носителя. Они восстанавливают сигнал, увеличивая дальность передачи. Они передают данные в обоих направлениях. Таким образом, концентраторы – самый дешевый способ расширить сеть, построенную с помощью коаксиального кабеля или витой пары.

Для таких соединений предусмотрен стандарт 10BaseT, обеспечивающий полную совместимость с сетевым оборудованием разных фирм. Для подключения устройств к сети используются разъемы RJ-45.

При кольцевой топологии все компьютеры подключаются к кабелю, замкнутому в кольцо (рис.8.22).

Рис. 8.22. Кольцевая топология сети

Сигналы передаются по кольцу в одном направлении. В такой сети каждый компьютер выступает в роли повторителя, усиливая сигналы и передавая их следующему компьютеру.

Несколько сетей с топологией «звезда» объединяют при помощи магистральной шины (рис. 8.23). Если один из компьютеров отказывает, концентратор может выявить отказавший узел и изолировать неисправную машину. А выход из строя одного концентратора повлечет за собой отключение от сети только подключенных к нему компьютеров.

Основным недостатком концентратора является тот факт, что при получении сигнала от какого-нибудь компьютера он усиливает его и передает на все остальные порты, тем самым создавая лишний трафик (поток информации), поскольку чаще всего передаваемый сигнал предназначен только для одного компьютера.

Коммутатор (switch), за счет того что каждый его порт снабжен собственным процессором, каждый из которых работает параллельно, позволяет направить поступивший в низ сигнал только в тот порт, к которому подключен требуемый компьютер. Другими словами. Коммутатор выполняет целенаправленную передачу информации между двумя портами на основе физического (МАС) адреса получателя (МАС – адрес – это шестнадцатеричный идентификатор, который назначается сетевому устройству его производителем). Это возможно благодаря тому, что коммутатор обладает встроенным процессором и памятью, в которой хранится таблица соответствующих МАС – адресов компьютеров и портов, к которым они подключены.

Рис. 8.23. Т опология сети «звезда-шина»

В качестве физического интерфейса между компьютером и средой передачи выступает плата сетевого адаптера (сетевая карта).

Эта плата вставляется в слот расширения компьютеров. Чтобы обеспечить физическое соединение между компьютером и сетью, к соответствующему разъему или порту платы подключается сетевой кабель. Функцией сетевого адаптера является передача и прием сигналов из кабеля.

При передаче адаптер воспринимает команды и данные от операционной системы, преобразует эту информацию в один из стандартных форматов и передает ее в сеть через подключенный к адаптеру кабель. Плата сетевого адаптера принимает от компьютера поток параллельных данных и преобразовывает его в поток последовательных данных. Этот процесс завершается переводом цифровых данных компьютера в электрические или оптические сигналы, которые передаются по сетевым кабелям. Плата сетевого адаптера помимо преобразования данных, «указывает» свое местоположение или адрес, чтобы ее могли отличить от остальных плат.

При приеме происходят аналогичные действия, только в обратном порядке. Плата сетевого адаптера, принимая данные из кабеля, переводит их в форму, понятную центральному процессору компьютера. Плата сетевого адаптера состоит из аппаратной части и встроенных программ, записанных в устройство для их хранения.

Перед тем, как послать данные в сеть, плата сетевого адаптера проводит «электронный диалог» с принимающей платой, во время которого они «обговаривают: а) максимальный размер блок передаваемых данных; б) интервалы между передачами блоков данных; в) объем данных передаваемых без подтверждения; г) интервал, в течение которого необходимо послать подтверждение; д) скорость передачи.

Эксперимент 4. Изучение основных понятий, связанных с модуляцией сигналов

Теоретические предпосылки

Все названные каналы передачи данных в зависимости от вида физической среды по-разному передают информацию. При создании систем передачи информации в большинстве случаев оказывается, что спектр исходного сигнала, подлежащего передаче, сосредоточен отнюдь не на тех частотах, которые эффективно пропускает имеющийся канал связи. Чтобы передавать сигнал наилучшим образом его надо трансформировать (преобразовать), так, чтобы его можно было передать по каналу наилучшим образом, и, чтобы после такой передачи, можно было восстановить исходный сигнал.

Кроме того, очень часто в одном канале связи необходимо передавать несколько сигналов одновременно. Одним из способов решения такой задачи является применение частотного разделения каналов, при котором разные сигналы занимают неперекрывающиеся полосы частот (диапазоны) канала.

Решение указанных проблем достигается при использовании модуляции. В этой связи цифровые потоки перед тем, как подаваться в канал связи в модуляторе преобразуются в модулированный сигнал (рис.8.2).

Модуляция (от лат. modulatio - мерность, размерность) — процесс изменения одного или нескольких параметров высокочастотного модулируемого колебания по закону информационного низкочастотного сообщения (сигнала).

Модуляция (modulation) это процесс объединения информационного сигнала с некоторым колебанием, называемым несущим (carrier). Исходный информационный сигнал называется модулирующим сигналом (modulating signal).

Модуляция это своего рода процесс «посадки» информационного сигнала, заложенного в модулирующем сигнале, на некоторый переносчик (на «несущую»), который, изменяя форму несущего колебания, наилучшим образом транспортирует информационный сигнал распространяясь по каналу. Если говорить иначе, то в результате модуляции спектр управляющего сигнала переносится в область частот, где распространение модулированного колебания происходит наилучшим образом.

В настоящее время все большая часть информации, передаваемой по разнообразным каналам связи, существует в цифровом виде. Это означает, что передаче подлежит не непрерывный (аналоговый) модулирующий сигнал, а последовательность отсчетов в виде целых чисел , которые могут принимать значения из некоторого фиксированного конечного множества. Вам известно, что на практике часто используемым вариантом является двоичная (binarry) последовательность символов, когда каждое из чисел может принимать одно из двух значений – 0 и 1. Эти числа, называемые символами (symbol), поступают от источника информации с периодом Т. Частота, соответствующая этому периоду называется символьной скоростью (symbol rate): .

Типичный подход при осуществлении передачи дискретной последовательности символов, принимающих значения из конечного множества, состоит в следующем. Каждому из возможных значений символов сопоставляется некоторый набор параметров несущего колебания. Эти параметры поддерживаются постоянными в течение интервала Т, то есть до прихода следующего символа. Такой способ модуляция дискретным сигналом, когда параметры несущего колебания меняются скачкообразно, называется цифровой модуляцией или манипуляцией (keying).

Роль переносчика информации играет высокочастотное колебание, называемое несущим (carrier). В качестве такого несущего могут быть использованы колебания различной формы (прямоугольные, треугольные и т. д.), однако чаще всего применяются гармонические колебания (изменяющиеся по закону косинуса). В общем случае ее можно представить в виде гармонического колебания следующего вида

где - обозначают соответственно амплитуду, частоту несущей и фазу сигнала.

Различные физические среды каналов и особенности распространения в них электромагнитных колебаний обусловили появление большого числа способов модуляции. В зависимости от того, какой из параметров несущего колебания изменяется, различают амплитудную, частотную, фазовую и другие виды модуляции. При этом кодированная информация передается изменением значений амплитуды, частоты или фазы сигнала.

Амплитудная модуляция (AM, amplitude modulation)— вид модуляции, при которой изменяемым параметром несущего сигнала является его амплитуда.

Пусть мы модулируем несущее колебание моногармоническим сигналом (монотонным звуком). Графики несущего колебания u₀(t), модулирующего сигнала е(t) и амплитудно-модулированного сигнала u_АМ(t) приведены на рис.8.24.

Рис. 8.24. Тональная амплитудная модуляция:
а) несущее колебание и его спектр (б);
в) модулирующий сигнал и его спектр (г);
д) амплитудно-модулированное колебание и его спектр (е)

Если спектр модулирующего сигнала имеет вид, представленный на рисунке 8.25, а, то спектр амплитудно-модулированного колебания может быть представлен диаграммой, приведенной на рисунке 8.25, б. Спектр амплитудно-модулированного сигнал состоит из несущего колебания и двух синусоидальных колебаний, называемых боковыми полосами, каждое из которых имеет частоту немного отличную от ω _c. ( частоты равны ω _c + ω _s и ω _c − ω _s).

Рис. 8.25. Спектры сигналов: а) модулирующего сигнала; б) амплитудно-модулированного колебания

В общем случае, ширина П_АМ спектра амплитудно-модулированного колебания равна

П_АМ = 2 ´ Ω _В, (8.2)

Например, если АМ модуляция использует основную полосу с верхней частотой- 5 кГц, требуя полосы канала всего 10 кГц. В процессе модуляции более сложным сигналом (при передаче голосового сообщения или данных), симметрично несущей появляются левые и правые боковые полосы (рис. 8.26).

Рис. 8.26. Спектр АМ-сигнала, модулированного по сложному закону

Из приведенного примера несложно догадаться, как можно создавать многоканальные системы, использующие методы уплотнения каналов, например при передаче по кабелю большего числа каналов (телефонных разговоров) одновременно. Надо брать разные несущие частоты. Пока несущие частоты соседних радиостанций достаточно разнесены, и боковые полосы не перекрываются между собой, станции не будут влиять друг на друга.

Обычно основная полоса частот передаваемого речевого спектра, которая оптимизирована по индексу артикуляции (принятому равным 0.7), соответствующему уровню разборчивости слов 85-90%, составляет 3100 Гц. Эта полоса размещается в диапазоне 300-3400 Гц. Учитывая, что указанная полоса частот должна фильтроваться реальным, а не идеальным, аналоговым полосовым фильтром, имеющим конечную крутизну спада частотной характеристики в переходной полосе, было предложено в качестве расчетной ширины основной полосы стандартного телефонного канала использовать полосу в 4 кГц.

При амплитудной манипуляции для передачи последовательности чисел можно использовать уровней амплитуды. Наиболее распространенной является амплитудная модуляция при , когда амплитуда сигнала принимает только два значения А_О=0 и А₁=А (А> 0).

Задание 4.1. Изучите, какой вид имеет амплитудно – модулированный по сложному закону сигнал

Введите в командное окно MATLAB програму 5.

%Програма 5.

t=-1: 0.01: 1;

s_M=3*cos(2*pi*t)-sin(6*pi*t+pi/4);

Fc=10;

s_AM=(4+s_M).*cos(2*pi*Fc*t);

plot(t, s_AM, t, (4+s_M), '--')

grid on

Задание 4.2. Изучите, какой вид имеет спектр огибающей и амплитудно – модулированного сигнала. Сделайте вывод, какие боковые полосы имеет спектр

Введите в командное окно MATLAB програму 5.

%Програма 6.

w=-20: 0.1: 20;

w0=10;

S_A=1./(1+w.^2);

S_AM=(0.5)./(1+(w+w0).^2)+(0.5)./(1+(w-w0).^2);

plot(w, S_A, '--', w, S_AM)

Введите в командное окно MATLAB програму 6а.

Задание 4.3. Изучите, какой вид имеет амплитудно – манипулированный сигнал (ASK, amplitude shift keying), если передаются сигналы 1. 3, 2, 4, 1. Рассмотрите, какой вид при этом будет иметь сигнальное созвездие.

Введите в командное окно MATLAB програму 6а.

%Програма 6а.

clear

sy=[1 3 2 4 1];

Fd=1;

Fc=4;

FsFd=40;

Fs=Fd*FsFd;

t=(0: length(sy)*FsFd-1)/Fs;

s_ask=sy(floor(Fd*t)+1).*cos(2*pi*Fc*t);

plot(t, s_ask)

figure(2)

modmap('ask', 4)

Теоретические предпосылки

Частотная модуляция (ЧМ, английский термин FM- frequency modulation) — вид аналоговой модуляции, при котором информационный сигнал управляет частотой несущего колебания. Это модуляция, при которой несущая частота сигнала изменяется в соответствии с модулирующим колебанием. По сравнению с амплитудной модуляцией здесь амплитуда остаётся постоянной (рис. 8.27).

Рис. 8.27 Отличия амплитудно-модулированного и частотно-модулированного сигналов

Если при амплитудной модуляции частота ω ₀ и начальная фаза φ несущего колебания сохраняются неизменными, а по закону передаваемого сообщения e(t) изменяется амплитуда U₀, то при частотной модуляции амплитуда U₀ сохраняется постоянной, а изменяться может частота либо начальная фаза несущего колебания. Поскольку частота и начальная фаза являются составляющими обобщенного угла несущего колебания [ω (t)+φ (t)], то такую модуляцию называют угловой. В зависимости от того, какой из параметров обобщенного угла, частота ω (t) или начальная фаза φ (е), несет информацию о передаваемом сообщении e(t), различают частотную либо фазовую модуляцию. При частотной модуляции амплитуда несущего колебания U₀ сохраняется постоянной, а частота несущего колебания ω (t) определяется модулирующим сигналом e(t) в соответствии с выражением:

ω (t) = ω ₀ + k_ЧМ e(t), (8.3)

где k_ЧМ - коэффициент пропорциональности, связывающий отклонение Δ ω _ЧМ частоты ω (t) от своего номинального значения ω ₀, равное Δ ω _ЧМ = ω (t) - ω ₀, и величину модулирующего напряжения e(t), вызывающего это отклонение.

Максимальное отклонение частоты, вызываемое максимальным модулирующим напряжением, называют девиацией частоты (frequency deviation).

При модулирующем сигнале в виде гармонического напряжения

e(t) = E cos(´ Ω t+Θ )

мгновенное значение частоты частотно-модулированного колебания изменяется по закону

ω (t) = ω ₀ + k_ЧМ E cos(´ Ω t+Θ ) (8.4)

Временные диаграммы несущего и модулирующего колебаний, а также частотно-модулированного сигнала приведены на рис.8.28.

Рис. 8.28. Частотная модуляция:
а) колебание с постоянной частотой; б) модулирующий сигнал; в) частотно-модулированное колебание

Связь между спектрами модулирующего и формируемого им частотно-модулированного сигнала выражается не такими простыми выражениями, как при амплитудной модуляции, и определяется соотношением между отклонением частоты результирующего частотно-модулированного колебания, вызываемого модулирующим сигналом, и скоростью изменения этого отклонения частоты.
В частности, пусть тональная модуляция гармоническим сигналом с частотой Ω вызывает отклонение частоты с девиацией, равной Δ ω _ЧМ.

Тогда в случае «быстрой» модуляции (при Δ ω _ЧМ < < ´ Ω ) полоса частот, занимаемая частотно-модулированным колебанием, определяется наибольшей частотой спектра модулирующего сигнала

П_ЧМ ~ 2 ´ Ω. (8.4)

В случае «медленной» модуляции (при Δ ω ЧМ > > ´ Ω ) частотный диапазон частотно-модулированного колебания определяется величиной девиации частоты Δ ω _ЧМ:

П_ЧМ ~ 2 Δ ω _ЧМ. (8.5)

Частотная модуляция более сложным сигналом показана на рис.8.29.

Рис. 8.29. Ч астотная модуляция сигналом сложной формы

Частотная модуляция FM применяется для высококачественной передачи звукового (низкочастотного) сигнала в радиовещании (в диапазоне УКВ), для звукового сопровождения телевизионных программ, передачи сигналов цветности, видеозаписи на магнитную ленту, музыкальных синтезаторах.

Высокое качество звучания аудиосигнала при использовании частотной модуляции FM обусловлено тем, что при ЧМ применяется большая (по сравнению с шириной спектра сигнала АМ) девиация несущего сигнала, а в приёмной аппаратуре используют ограничитель амплитуды радиосигнала для ликвидации импульсных помех. ЧМ передача позволяет существенно уменьшить искажения передаваемого сигнала, особенно в канале с паразитной амплитудной модуляцией и затуханиями амплитуды, каким является радиоэфир, однако это требует и существенного (в нашем случае в 7 раз) расширения требуемой полосы частот канала связи. На это идут, если передаваемый сигнал один, как, например, в УКВ ЧМ трансляции, которая позволяет передавать 15 кГц речевого спектра, но требует полосы канала 210 кГц. АМ трансляция передает основную полосу частот - 5 кГц, требуя полосы канала всего 10 кГц.

⇐ Предыдущая 1 2 3 45