Эндрю Уэзеролл - Компьютерные сети. 5-е издание

2.5.2. Передача в полосе пропускания

Часто для отправления информации по каналу мы хотим использовать диапазон частот, который начинается не в нуле. Для беспроводных каналов непрактично посылать сигналы на очень низких частотах, потому что размер антенны зависит от длины волны сигнала и становится огромным. В любом случае, выбор частот обычно диктуют регулирующие ограничения и потребность избежать помех. Даже для проводов полезно помещать сигнал в заданный диапазон частот, чтобы позволить различным видам сигналов сосуществовать на канале. Этот вид передачи называют передачей в полосе пропускания, потому что для передачи используется произвольная полоса частот.

К счастью, во всех фундаментальных результатах, изложенных ранее в этой главе, фигурировала полоса пропускания или ширина диапазона частот. Абсолютные значения частоты не имеют значения для полосы пропускания. Это означает, что мы можем взять низкочастотный сигнал, который занимает диапазон от 0 до B Гц, и сместить его, чтобы занять полосу пропусканияот S до S + B Гц, не изменяя количество информации, которую он может перенести, даже при том, что сигнал будет выглядеть по-другому. Чтобы обработать сигнал в приемнике, мы можем сместить его обратно в область низких частот, где более удобно определять символы.

В цифровой модуляции передача в полосе пропускания достигается, регулируя или модулируя сигнал несущей, которая находится в полосе пропускания. Мы можем модулировать амплитуду, частоту или фазу сигнала несущей. Каждый из этих методов имеет соответствующее название. В ASK( Amplitude Shift Keying, амплитудная манипуляция), чтобы представить 0 и 1, используются две различные амплитуды. Пример с ненулевым и нулевым уровнем показан на рис. 2.18, б. Для представления большего числа символов может использоваться большее число уровней. Аналогично, при FSK ( Frequency Shift Keying, частотная манипуляция) используется два или несколько различных тона. Пример на рис. 2.18, в использует только две частоты. В самой простой форме PSK( Phase Shift Keying, фазовая манипуляция) несущая систематически подворачивается на 0 или 180 градусов через определенные интервалы времени. Поскольку используются две фазы, этот вид носит название BPSK( Binary Phase Shift Keying, бинарная фазовая манипуляция). «Бинарный» здесь означает два символа, а не то, что символы представляют 2 бита. Пример показан на рис. 2.18, г. Улучшенный вариант, который использует полосу канала более эффективно, состоит в том, чтобы использовать четыре сдвига, например на 45, 135, 225 или 315 градусов для передачи двух бит информации за один временной интервал. Этот вариант называют QPSK ( Quadrature Phase Shift Keying, квадратурная фазовая манипуляция).

Рис. 2.18.Сигналы: а — бинарные; б — амплитудная манипуляция; в — фазовая манипуляция; г — квадратурная фазовая манипуляция

Мы можем объединить эти схемы и использовать больше уровней, чтобы передать больше битов за символ. Одновременно может быть промодулирована только либо

частота, либо фаза, потому что они связаны, частота является скоростью изменения фазы во времени. Обычно комбинируются амплитудная и фазовая модуляция. На рис. 2.19 показана три примера. В каждом примере точки показывают комбинации амплитуды фазы каждого символа. На рис. 2.19, а изображены точки, расположенные под углами 45, 135, 225 и 315 градусов, с постоянным уровнем амплитуды (это видно по расстоянию до них от начала координат. Фаза этих точек равна углу, который линия, проведенная через точку и начало координат, составляет с положительным направлением горизонтальной оси. Амплитуда точки — расстояние от начала координат. Этот рисунок — представление QPSK.

Такие диаграммы называются диаграммами созвездий. На рис. 2.19, б изображен другой комбинированный метод модуляции, с более плотным сигнальным созвездием, использующий 16 комбинаций амплитудных и фазовых сдвигов. С его помощью можно передавать уже 4 бита на символ. Такая схема называется квадратурной амплитудной модуляцией, или QAM-16 (Quadrature Amplitude Modulation). На рис. 2.23, в изображена еще более плотная схема модуляции. С помощью 64 комбинаций можно в один символ поместить 6 бит. Метод называется QAM-64. Используются схемы QAM и более высоких порядков. Как вы можете предположить из этих диаграмм, легче создать электронику, чтобы произвести символы как комбинацию значений на каждой оси, чем как комбинацию значений фазы и амплитуды. Именно поэтому образцы похожи на квадраты, а не концентрические круги.