Компьютерные сети. 6-е изд. - Эндрю Таненбаум
Шрифт:
Интервал:
Закладка:
Илл. 2.16. (а) Бинарный сигнал. (б) Кодирование со сдвигом амплитуды. (в) Кодирование со сдвигом частоты. (г) Кодирование со сдвигом фазы
амплитуду и фазу. На илл. 2.17 приведены три примера. В каждом из них точки обозначают допустимые сочетания амплитуды и фазы для каждого символа. На илл. 2.17 (а) показаны равноудаленные точки на углах в 45, 135, 225 и 315 градусов. Фаза каждой точки соответствует углу между положительной частью оси x и прямой, проведенной в эту точку из начала координат. Амплитуда каждой точки равна расстоянию от начала координат. Этот рисунок наглядно иллюстрирует схему QPSK.
Подобные диаграммы называются квадратурными (constellation diagram). На илл. 2.17 (б) показана схема модуляции с более плотным расположением точек. В ней используется 16 сочетаний амплитуд и фаз, так что эта схема модуляции пригодна для передачи 4 бит на символ. Она называется QAM-16, где QAM — квадратурная модуляция амплитуды (Quadrature Amplitude Modulation). На илл. 2.17 (в) приведена еще более плотная схема модуляции, с 64 различными комбинациями, позволяющая передавать 6-битные символы — QAM-64. Существуют QAM еще более высокого порядка. Глядя на эти структуры, можно догадаться, что проще создать электронные схемы для генерации символов в виде сочетания значений на различных осях координат, чем в виде комбинаций амплитуд и фаз. Именно поэтому приведенные паттерны напоминают квадраты, а не концентрические круги.
Илл. 2.17. (а) QPSK. (б) QAM-16. (в) QAM-64
Из приведенных выше диаграмм неясно, как именно биты распределяются по символам. При распределении важно позаботиться, чтобы небольшой всплеск шума на стороне приемника не привел к большому количеству ошибок в битах. Такое может случиться, если присвоить последовательные значения битов смежным символам. Допустим, в QAM-16 один символ означает 0111, а соседний — 1000; если приемник по ошибке выберет этот соседний символ, неправильными окажутся все биты. Лучше задать такие соответствия битов символам, чтобы соседние символы отличались только на 1 бит. Этот метод называется кодом Грея (Gray code). На илл. 2.18 показан результат кодирования QAM-16 кодом Грея. Теперь если приемник ошибочно декодирует какой-либо символ, то ошибка будет только в одном бите, в случае если декодированный символ близок к переданному.
Илл. 2.18. QAM-16, закодированная кодом Грея
2.4.4. Мультиплексирование
Рассмотренные нами схемы модуляции позволяют отправлять цифровой сигнал по проводному или беспроводному каналу связи, но они описывают только передачу одного битового потока за раз. На практике при использовании сетей важную роль играет экономия ресурсов. Прокладка и сопровождение канала связи с широкой полосой пропускания между двумя офисами стоит столько же, сколько и с низкой (то есть затраты определяются стоимостью выкапывания желоба, а не тем, какой кабель в него укладывается). Поэтому были разработаны схемы мультиплексирования, позволяющие одновременно передавать по одному каналу связи много сигналов. Существует три главных способа мультиплексирования физического канала связи: по времени, по частоте и с кодовым разделением, а также мультиплексирование по длинам волн (по сути это оптическая разновидность мультиплексирования с частотным разделением каналов).
Мультиплексирование с частотным разделением каналов
Мультиплексирование с частотным разделением каналов (Frequency Division Multiplexing, FDM) использует преимущества передачи в полосе пропускания. Спектр делится на диапазоны частот, и каждый пользователь получает эксклюзивный доступ к определенной полосе для отправки сигналов. AM-радиовещание хорошо иллюстрирует FDM. Выделенный на него спектр частот составляет около 1 МГц (примерно от 500 до 1500 кГц). Логическим каналам (станциям) выделяются разные частоты, и каждый из них работает только в своей части спектра. При этом каналы достаточно разделены между собой для предотвращения взаимных помех.
Приведем более подробный пример. На илл. 2.19 показаны три голосовых телефонных канала, мультиплексированных при помощи FDM. Доступная полоса пропускания ограничена фильтрами: примерно до 3100 Гц на каждый голосовой канал. При мультиплексировании нескольких каналов вместе на каждый выделяется полоса 4000 Гц. Дополнительная полоса пропускания называется защитной полосой частот (guard band) и служит для более надежного разделения каналов.
Сначала голосовые каналы поднимаются по частоте, каждый — на свою величину. Затем их можно объединить, поскольку теперь они все занимают различные части спектра частот. Несмотря на наличие промежутков между каналами благодаря защитным полосам, смежные каналы немного пересекаются. Это происходит потому, что на практике фильтры не производят четкого среза частот. А значит, сильный всплеск на границе одного канала будет ощущаться как нетепловой шум в смежном с ним.
Долгие годы подобная схема применялась для мультиплексирования телефонных звонков, но сейчас для этого чаще используется мультиплексирование по времени. Однако FDM по-прежнему встречается в телефонных системах, а также сотовых, приземных беспроводных и спутниковых сетях на более высоком уровне детализации.
Илл. 2.19. Мультиплексирование с частотным разделением каналов (FDM). (а) Исходные полосы частот. (б) Полосы, сдвинутые по частоте. (в) Мультиплексированный канал
При передаче цифровых данных спектр частот можно эффективно разбивать и без защитных полос. При мультиплексировании с ортогональным частотным разделением каналов (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM) полоса делится на множество вспомогательных несущих частот с независимой передачей данных (например, с помощью схемы QAM). Эти частоты плотно упаковываются в диапазоне, поэтому их сигналы могут распространяться на смежные вспомогательные несущие. Впрочем, частотная характеристика каждой из них разработана так, чтобы в центре соседней частоты равняться нулю (илл. 2.20). Таким образом, вспомогательные несущие можно измерять в их
Илл. 2.20. Мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM)
центральных частотах, без опасения каких-либо помех. Чтобы метод сработал, необходим защитный интервал времени (guard time). Нужно успеть повторить часть посылаемых символьных сигналов и добиться желаемой частотной характеристики. Однако эти издержки намного меньше, чем при большом числе защитных полос частот.
Метод OFDM существует уже давно, но начал активно применяться только в начале 2000-х. Тогда стало понятно, что можно эффективно реализовать OFDM в виде преобразования Фурье цифровых данных по всем вспомогательным несущим частотам (вместо того, чтобы модулировать по отдельности каждую такую частоту). OFDM используется в 802.11, сетях кабельного телевидения, сетях на основе ЛЭП и сотовых системах четвертого поколения (4G). Чаще всего один высокоскоростной поток цифровой информации разбивается на несколько низкоскоростных, и они параллельно передаются на вспомогательных несущих частотах. Такое разделение полезно, поскольку проблемы
