Эндрю Уэзеролл - Компьютерные сети. 5-е издание

Рис. 2.19. Модуляция: а — QPSK; б — QAM-16; в — QAM-64

Созвездия, которые мы видели до сих пор, не показывают, как биты назначаются символам. При этом важно, чтобы небольшой скачок шума в приемнике не приводил ко многим битовым ошибкам. Это могло бы произойти, если бы мы назначали последовательные битовые значения смежным символам. Используя, например, QAM-16, когда один символ — 0111 и соседний символ — 1000, если приемник по ошибке выбирает смежный символ, все биты будут неправильными. Лучшее решение состоит в том, чтобы отобразить биты на символы так, чтобы смежные символы отличались только по одной позиции двоичного разряда. Это отображение называют кодом Грэя. Рисунок 2.20 показывает созвездие QAM-16, к которому применено кодирование Грэя. Теперь, если приемник расшифрует символ ошибочно, он сделает только одну битовую ошибку в ожидаемом случае, что расшифрованный символ близок к переданному символу.

Рис. 2.20.QAM-16 с применением кодирования Грея

2.5.3. Частотное уплотнение

Схемы модуляции, которые мы рассмотрели, позволяют посылать один сигнал для передачи данных по проводу или беспроводному каналу. Однако экономия ресурсов играет важную роль в сетях передачи данных. Стоимость прокладки и обслуживания магистрали с высокой пропускной способностью и низкокачественной линии практически одна и та же (то есть львиная доля этой стоимости уходит на рытье траншей, а не на сам медный или оптоволоконный кабель). Вследствие этого были развиты схемы мультиплексирования для совместно использования линий многими сигналами.

FDM (Frequency Division Multiplexing, мультиплексирование с разделением частоты, частотное уплотнение)использует передачу в полосе пропускания, чтобы совместно использовать канал. Спектр делится на диапазоны частот, каждый пользователь получает исключительное владение некоторой полосой, в которой он может послать свой сигнал. AM-радиовещание иллюстрирует FDM. Выделенный спектр составляет приблизительно 1 МГц, примерно от 500 до 1500 кГц. Другие частоты выделены другим логическим каналам (станциям), каждая станция действует в части спектра, с межканальным разделением, достаточно большим, чтобы предотвратить помехи.

Более подробный пример на рис. 2.21 показывает, как три речевых телефонных канала могут объединяться в одну линию с использованием частотного уплотнения. Фильтры ограничивают используемую полосу частот примерно 3100 Гц на каждый речевой канал. Когда одновременно мультиплексируется множество каналов, на каждый выделяется полоса 4000 Гц. Избыток называют защитной полосой. Она сохраняет каналы хорошо отделенными. Для начала сигналы повышаются по частоте, причем для разных каналов величины сдвигов разные. После этого их можно суммировать, поскольку каждый канал теперь сдвинут в свою область спектра. Заметьте, что даже при том, что между смежными каналами благодаря защитным полосам есть промежутки, имеется некоторое наложение. Это связано с тем, что у реальных фильтров нет идеального резкого края. Это означает, что сильный всплеск в одном канале может ощущаться как нетермальный шум в соседнем канале.

Рис. 2.21. Частотное уплотнение: а — исходные спектры сигналов; б — спектры, сдвинутые по частоте; в — уплотненный канал

Эта схема много лет использовалась для мультиплексирования звонков в телефонной сети, но теперь предпочтение отдается мультиплексированию по времени. Однако FDM продолжает использоваться в телефонных сетях, а также в сотовых, наземных радио и спутниковых сетях на более высоком уровне разбиения.

При отправке цифровых данных возможно эффективно разделить спектр, не используя защитные полосы. В OFDM( Orthogonal Frequency Division Multiplexing, мультиплексирование с ортогональным частотным разделением) полоса канала разделена на многие поднесущие, которые независимо передают данные (например, с квадратурной амплитудной модуляцией). Поднесущие плотно упакованы вместе в частотной области. Таким образом, сигналы от каждой поднесущей простираются в смежные. Однако, как видно на рис. 2.22, частотная характеристика каждой поднесущей разработана так, чтобы в центре смежных поднесущих это был ноль. Поднесущая поэтому может быть выбрана в своей центральной частоте без помех от соседних. Чтобы это работало, необходим защитный интервал времени, чтобы повторить часть символьных сигналов во времени так, чтобы у них была желаемая частотная характеристика. Однако эти служебные издержки намного меньше, чем при большом количестве защитных полос.