Организация беспроводных сетей

Передача данных

Определим данные как объекты, передающие смысл, или информацию. Сигналы - это электромагнитное представление данных. Передача - процесс перемещения данных путем распространения сигналов по передающей среде и их обработки.

Аналоговые и цифровые данные

Понятия "аналоговые данные" и "цифровые данные" достаточно просты. Аналоговые данные принимают непрерывные значения из некоторого диапазона. Например, звуковые сигналы и видеосигналы представляют собой непрерывно изменяющиеся величины. Цифровые данные, напротив, принимают только дискретные значения; примеры - текст и целые числа.

Аналоговые и цифровые сигналы

В системе связи информация распространяется от одной точки к другой посредством электрических сигналов. Аналоговый сигнал представляет собой непрерывно изменяющуюся электромагнитную волну, которая может распространяться через множество сред, в зависимости от частоты; в качестве примеров таких сред можно назвать проводные линии, такие как витая пара и коаксиальный кабель, оптоволокно; этот сигнал также может распространяться через атмосферу или космическое пространство. Цифровой сигнал представляет собой последовательность импульсов напряжения, которые могут передаваться по проводной линии; при этом постоянный положительный уровень напряжения может использоваться для представления двоичного нуля, а постоянный отрицательный уровень - для представления двоичной единицы.

В беспроводной технологии используются цифровые данные и аналоговые сигналы, так как цифровые сигналы затухают сильнее, чем аналоговые.

Пример 1.1

Речь представляет собой звуковые волны и содержит частотные составляющие в области 20 Гц - 20 кГц. Однако большая часть энергии речи находится в намного более узком диапазоне. Стандартный спектр речевых сигналов - 300-3400 Гц, и этого диапазона вполне хватает для разборчивой и четкой передачи речи. Именно такой диапазон обрабатывает телефонный аппарат. Все поступающие звуковые колебания в диапазоне 300-3400 Гц преобразуются в электромагнитный сигнал с подобными амплитудами и частотами. В другом аппарате выполняется обратный процесс: электромагнитная энергия преобразуется в звук.

Цифровые данные можно представить аналоговыми сигналами, применив с этой целью модем (модулятор/демодулятор). Модем или беспроводной адаптер преобразует последовательность двоичных (принимающих два значения) импульсов напряжения в аналоговый сигнал, модулируя их несущей частотой. Получившийся в результате сигнал занимает определенный спектр частот с центром на несущей частоте и может распространяться в окружающую среду. На другом конце линии другой модем или беспроводной адаптер демодулирует сигнал и восстанавливает исходные данные.

Модуляция сигналов

Исторически модуляция начала применяться для аналоговой информации, и только потом - для дискретной.

Необходимость в модуляции аналоговой информации возникает, когда нужно передать низкочастотный (например, голосовой) аналоговый сигнал через канал, находящийся в высокочастотной области спектра.

Для решения этой проблемы амплитуду высокочастотного несущего сигнала изменяют (модулируют) в соответствии с изменением низкочастотного сигнала.

В беспроводной технологии в процессе модулирования задействованы одна или несколько характеристик несущего сигнала: амплитуда, частота и фаза. Соответственно, существуют три основные технологии кодирования или модуляции, выполняющие преобразование цифровых данных в аналоговый сигнал ( рис. 1.5):

• амплитудная модуляция (Amplitude-Shift Keying - ASK);
• частотная модуляция (Frequency-Shift Keying - FSK);
• фазовая модуляция (Phase-Shift Keying - PSK).

Отметим, что во всех перечисленных случаях результирующий сигнал центрирован на несущей частоте.

увеличить изображение
Рис. 1.5. Модуляция цифровых данных аналоговыми сигналами

Амплитудная модуляция

При амплитудной модуляции два двоичных значения представляются сигналами несущей частоты с двумя различными амплитудами. Одна из амплитуд, как правило, выбирается равной нулю; т.е. одно двоичное число представляется наличием несущей частоты при постоянной амплитуде, а другое - ее отсутствием (рис. 1.5а).

При амплитудной модуляции результирующий сигнал равен:

( 1.1)

Здесь - несущий сигнал.

Частотная модуляция

Наиболее распространенной формой частотной модуляции является (Binary FSK - BFSK), в которой два двоичных числа представляются сигналами двух различных частот, расположенных около несущей (рис. 1.5б). Результирующий сигнал равен

( 1.2)

где и - частоты, смещенные от несущей частоты на величины, равные по модулю, но противоположные по знаку.

Бинарная частотная модуляция менее восприимчива к ошибкам, чем амплитудная модуляция.

Более эффективной, но и более подверженной ошибкам, является схема многочастотной модуляции (Multiple FSK - MFSK), в которой используется более двух частот. В этом случае каждая сигнальная посылка представляет более одного бита. Переданный сигнал MFSK (для одного периода передачи сигнальной посылки) можно определить следующим образом:

( 1.3)

Здесь

где - несущая частота; - разностная частота; - число различных сигнальных посылок ; - количество битов на одну сигнальную посылку.

На рис. 1.6 представлен пример схемы MFSK с . Входной поток битов кодируется по два бита, после чего передается одна из четырех возможных двухбитовых комбинаций.

Для уменьшения занимаемой полосы частот в модуляторах сигналов с фазовой модуляцией применяют сглаживающие фильтры. Применение сглаживающих фильтров приводит к увеличению эффективности использования полосы, но в то же время из-за сглаживания уменьшается расстояние между соседними сигналами, что приводит к снижению помехоустойчивости.

Рис. 1.6. Использование частоты схемой MFSK (M = 4)