Фізичний рівень IEEE 802.11

Сигнали для передачі інформації

Рис. 1. Приклад аналогового та цифрового сигналів

Якщо розглядати сигнал як функцію часу, то він може бути або аналоговим, або цифровим. Аналоговим називається сигнал, інтенсивність якого в часі змінюється поступово. Іншими словами, в сигналі не буває пауз або розривів. Цифровим називається сигнал, інтенсивність якого протягом деякого періоду підтримується на постійному рівні, а потім також змінюється на постійну величину (це визначення ідеалізовано). На малюнку рис. 1 наведено приклади сигналів обох типів.

Найпростішим типом сигналу є періодичний сигнал, в якому деяка структура періодично повторюється в часі. На рис. 2 наведено приклад періодичного аналогового сигналу (синусоїда) і періодичного цифрового сигналу (прямокутний сигнал, або меандр) . Математичне визначення: сигнал Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): s(t)

є періодичним тоді і тільки тоді, коли

Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): s(t+T)=s(t)\mbox{,при}\mbox{,}-\infty<t<+\infty

де постійна Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): T

є періодом сигналу ( Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): T
- найменша величина , яка задовольнить цього рівняння ) .

Фундаментальним аналоговим сигналом є синусоїда. У загальному випадку такий сигнал можна визначити трьома параметрами:

• максимальною амплітудою А;
• частотою Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): f

• фазою Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): \phi

. 

Максимальною амплітудою називається максимальне значення або інтенсивність сигналу в часі; вимірюється максимальна амплітуда, як правило, в вольтах. Частотою називається темп повторення сигналів (в періодах за секунду, або герцах). Еквівалентним параметром є період сигналу Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): T , що представляє собою час, за який відбувається повторення сигналу; отже , Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): T = 1 / f . Фаза є мірою відносного зрушення за часом в межах окремого періоду сигналу ( даний термін буде проілюстрований нижче).

Передача даних

Рис. 2. Періодичні сигнали

Визначимо дані як об'єкти, що передають сенс, чи інформацію. Сигнали - це електромагнітне подання даних. Передача - процес переміщення даних шляхом поширення сигналів по передавальної середовищі і їх обробки.

Аналогові та цифрові дані

Поняття "аналогові дані" і "цифрові дані" досить прості. Аналогові дані приймають безперервні значення з деякого діапазону. Наприклад, звукові сигнали і відеосигнали являють собою безперервно змінюються величини. Цифрові дані, навпаки, приймають тільки дискретні значення; приклади - текст і цілі числа.

Аналогові та цифрові сигнали

У системі зв'язку інформація поширюється від однієї точки до іншої за допомогою електричних сигналів. Аналоговий сигнал являє собою електромагнітну хвилю, що безперервно змінюється, яка може поширюватися через безліч середовищ, залежно від частоти; як приклади таких середовищ можна назвати провідні лінії, такі як кручена пара і коаксіальний кабель, оптоволокно; цей сигнал також може поширюватися через атмосферу або космічний простір. Цифровий сигнал являє собою послідовність імпульсів напруги , які можуть передаватися по провідній лінії; при цьому постійний позитивний рівень напруги може використовуватися для представлення двійкового нуля, а постійний негативний рівень - для представлення двійковій одиниці.

У бездротової технології використовуються цифрові дані і аналогові сигнали , так як цифрові сигнали загасають сильніше , ніж аналогові.

Модуляція сигналів

Рис. 3. Види модуляції: А - амплітудна, Ч - частотна, Ф - фазова

Історично модуляція почала застосовуватися для аналогової інформації, і тільки потім - для дискретної.

Необхідність в модуляції аналогової інформації виникає, коли потрібно передати низькочастотний (наприклад, голосовий) аналоговий сигнал через канал, що знаходиться в високочастотної області спектра.

Для вирішення цієї проблеми амплітуду високочастотного несучого сигналу змінюють (модулюють) відповідно до зміни низькочастотного сигналу.

У бездротової технології в процесі модулювання задіяні одна або кілька характеристик несучого сигналу: амплітуда, частота і фаза. Відповідно, існують три основні технології кодування або модуляції, що виконують перетворення цифрових даних в аналоговий сигнал (рис. 3):

• амплітудна модуляція (Amplitude - Shift Keying - ASK);
• частотна модуляція (Frequency - Shift Keying - FSK);
• фазова модуляція (Phase - Shift Keying - PSK).

Амплітудна модуляція

При амплітудної модуляції два довічних значення представляються сигналами несучої частоти з двома різними амплітудами. Одна з амплітуд, як правило, вибирається рівною нулю ; тобто одне двійкове число представляється наявністю несучої частоти при постійній амплітуді, а інша - її відсутністю (рис. 3 А).

Частотна модуляція

Найбільш поширеною формою частотної модуляції є бінарна (Binary FSK - BFSK) , в якій два довічних числа представляються сигналами двох різних частот, розташованих близько несучої (рис. 3 Ч).

Бінарна частотна модуляція менш сприйнятлива до помилок , ніж амплітудна модуляція.

Більш ефективною, а й більш схильною помилок, є схема багаточастотної модуляції (Multiple FSK - MFSK), в якій використовується більше двох частот. У цьому випадку кожна сигнальна посилка являє більше одного біта.

Для зменшення займаної смуги частот в модуляторах сигналів з ​​фазовою модуляцією застосовують згладжуючі фільтри. Застосування таких фільтрів призводить до збільшення ефективності використання смуги, але в той же час через згладжування зменшується відстань між сусідніми сигналами, що призводить до зниження завадостійкості.

Фазова модуляція

При фазовій модуляції для представлення даних виконується зсув несучого сигналу.

Найпростішою фазовою модуляцією є дворівнева модуляція (Binary PSK , BPSK), де для подання двох двійкових цифр використовуються дві фази (рис. 3 Ф).

Рис 4. Диференційна фазова модуляція

Альтернативною формою дворівневої PSK є диференційна PSK (DPSK), приклад якої наведено на рис. 4. У даній системі двійковий 0 представляється сигнальним пакетом, фаза якого збігається з фазою попереднього посланого пакета, а двійкова 1 представляється сигнальним пакетом з фазою, протилежній фазі попереднього пакета. Така схема називається диференціальної, оскільки зсув фаз виконується щодо попереднього переданого біта, а не щодо якогось еталонного сигналу. При диференціальному кодуванні передана інформація подається не сигнальними посилками, а змінами між послідовними сигнальними посилками. Схема DPSK робить зайвим суворе узгодження фази місцевого гетеродина приймача і передавача. До тих пір поки попередня отримана фаза точна, точний і фазовий еталон.

Квадратурна амплітудна модуляція

Квадратурна амплітудна модуляція (Quadrature Amplitude Modulation - QAM) є популярним методом аналогової передачі сигналів, використовуваним в деяких бездротових стандартах.

Дана схема модуляції поєднує в собі амплітудну і фазову модуляції. У методі QAM використані переваги одночасної передачі двох різних сигналів на одній частоті, але при цьому, задіяні дві копії несучої частоти, зсунуті відносно один одного на 90 градусів. При квадратурно-амплітудній модуляції обидві несучі є амплітудно-модульованими. Отже, два незалежних сигналу одночасно передаються через одне середовище. У приймачі ці сигнали демодулюються, а результати об'єднуються з метою відновлення вихідного двійкового сигналу.

При використанні дворівневої квадратурної амплітудної модуляції (2QAM) кожен з двох потоків може знаходитися в одному з двох станів, а об'єднаний потік - в одному з Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): 2 \cdot 2 = 4

станів. При використанні чотирирівневої модуляції (тобто чотирьох різних рівнів амплітуди, 4QAM) об'єднаний потік буде знаходитися в одному з Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): 4 \cdot 4 = 16
станів . Вже реалізовані системи, що мають 64 або навіть 256 станів. Чим більше число станів, тим вище швидкість передачі даних, можлива при певній ширині смуги. Зрозуміло, як вказувалося раніше, чим більше число станів, тим вище потенційна частота виникнення помилок внаслідок перешкод або поглинання.

Пропускна здатність каналу

Існує безліч факторів, здатних спотворити або пошкодити сигнал. Найбільш поширені з них - перешкоди або шуми, що представляють собою будь-який небажаний сигнал, який змішується з сигналом, призначеним для передачі або прийому, і спотворює його.

Існує чотири поняття , які ми спробуємо зв'язати воєдино.

• Швидкість передачі даних - бітрейт в секунду (біт/с) , швидкість з якою можуть передаватися дані;
• Ширина смуги - ширина смуги переданого сигналу, яку обмежує передавачем і природою передавальної середовища. Виражається в періодах в секунду, або герцах (Гц);
• Шум . Середній рівень шуму в каналі зв'язку;
• Рівень помилок - частота появи помилок. Помилкою вважається прийом 1 при переданому 0 і навпаки.

...