Раздел 1. Основы теории сигналов
Системы и сети связи
(ч.1 Теоретические основы передачи данных в информационных системах)
Конспект лекций
УДК 621.317.08.(075.8)
С.А. Перепелица, Н.В. Богач Системы и сети связи, ч.1 Теоретические основы передачи данных в информационных системах. Конспект лекций. СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2008.
Курс "Системы и сети связи, ч.1 Теоретические основы передачи данных в информационных системах" предназначен для изучения в 6-м семестре.
В курсе рассмотрены частотно-временные характеристики сигналов (амплитуда, фаза, частота, спектр и т.д.), а также фундаментальные принципы передачи сигналов в информационных системах. Устанавливаются отношения между понятиями информации, сигнала, данных. Поясняются функции основных компонентов систем передачи данных: источника данных, канала передачи данных и приемника. Вводятся понятия канала связи, модели канала, рассматривается влияние канала связи на передаваемые сигналы, затухание в канале, эхо, задержки, а также методы измерения и компенсации паразитных параметров кабельных линий. Дается представление о стандартных кабельных системах, используемых для передачи данных (коаксиальный кабель, витая пара, оптоволокно).
Детально изучаются этапы преобразования сигналов и данных в процессе передачи: модуляция/демодуляция цифровых и аналоговых сигналов, физическое и логическое кодирование/декодирование, методы модуляции со многими несущими. Анализируются источники и виды ошибок и помех, а также методы повышения скорости и помехоустойчивости процесса передачи данных.
В курсе изучаются базовые и современные методы модуляции аналоговых сигналов: амплитудная модуляция, балансная амплитудная модуляция (модуляция с подавлением несущей), однополосная амплитудная модуляция; угловая (фазо-частотная) модуляция; квадратурная модуляция. Приводится основная теорема о модуляции. Большое место занимает изучение видов модуляции (манипуляции) цифровых сигналов. Изучается понятие сигнального созвездия. Даются основы широкополосной передачи данных, физические принципы беспроводной связи, рассмотрены методы расширения спектра, используемые в беспроводных сетях.
Излагаются основные методы физического кодирования: потенциальные и импульсные коды, анализируется их помехоустойчивость и спектр, рассматриваются основные логические коды, показаны преимущества использования избыточных кодов. Практическое применение изученных методов кодирования и модуляции проиллюстрировано на примерах современных технологий связи.
В приложениях приводятся краткие сведения о преобразовании Фурье для основных типов сигналов.
Табл. . Илл. .
Печатается по решению редакционно-издательского совета Санкт - Петербургского государственного политехнического университета.
Ó Санкт - Петербургский государственный политехнический университет, 2008
Введение. 6
Раздел 1 Основы теории сигналов. 7
2. Понятие сигнала и данных. Способы описания сигналов. Классификация сигналов. Частотно-временные характеристики сигналов [2], [5], [6] 7
2.1 Информация, данные, сигналы.. 7
2.2 Шумы и помехи [2], [5] 10
2.3 Размерность сигналов [2],[5] 12
2.4 Математическое описание сигналов [2],[3],[5],[6] 13
2.5 Спектры сигналов [2],[3],[5],[6] 14
2.6 Классификация сигналов [2] 16
2.7 Классификация случайных сигналов [2] 24
3. Виды сигналов [3] 25
3.1 Аналоговый сигнал. 25
3.2 Дискретный сигнал. 26
3.3 Цифровой сигнал. 26
4. Преобразования сигналов [2],[3] 27
4.1 Дискретизация сигналов. 27
4.2 Квантование. 28
4.3 Спектр дискретного сигнала. Восстановление сигналов по дискретным отсчетам. Элайcинг (aliasing) 28
4.4 Цифро-аналоговое преобразование. 31
4.5 Тестовые сигналы.. 31
4.6 Обобщенная схема системы цифровой обработки сигналов. 34
Раздел 2 Теоретические основы передачи сигналов. 35
5. Модуляция аналоговых сигналов. 35
5.1 Амплитудная модуляция/демодуляция. 36
5.2 Балансная амплитудная модуляция. 45
5.3 Однополосная амплитудная модуляция. 47
5.4 Полярная модуляция. 48
5.5 Угловая модуляция. 50
5.6 Квадратурная модуляция. 57
5.7 Внутриимпульсная частотная модуляция. 58
5.8 Импульсная модуляция. 59
6. Модуляция (манипуляция) цифровых данных. 63
6.1 Амплитудная манипуляция. 63
6.2 Угловая манипуляция. 65
6.3 Квадратурная амплитудная модуляция. 66
6.4. Амплитудно-фазовая манипуляция с подавлением несущей (САР – модуляция) 71
6.5. Многочастотный способ модуляции (DMT-модуляция) 73
6.6 Технология асимметричной цифровой абонентской линии (ADSL) 75
6.7. Краткая история эволюции модемов использующих неэкранированную витую пару (UTP) 76
6.8 Концепция ADSL. 77
6.9 Области применения ADSL. Требования к скорости. Службы и области применения. 80
6.10. Треллис-модуляция. 84
Технологии расширения спектра. 86
7.1 Расширение спектра. 89
7.2 Физический уровень протокола 802.11b/b+. 95
7.3 Физический уровень протокола 802.11g. 101
8.4 Сравнение методов DSSS и FHSS. 109
Методы кодирования данных в информационных системах. 110
8.1 Требования к методам цифрового кодирования. 110
8.2 Методы кодирования данных в системах телекоммуникаций. 112
8.3 Тракт приема-передачи данных. 115
8.4 Скремблирование. 117
8.5 Логическое кодирование. 126
Стандарты кабелей. 132
9.1 Кабели на основе неэкранированной витой пары.. 135
9.2 Кабели на основе экранированной витой пары.. 138
9.3 Коаксиальные кабели. 139
9.4 Волоконно-оптические кабели. 140
Асинхронная и синхронная передачи. 146
Обнаружение и коррекция ошибок. 161
Список литературы.. 173
Системы и сети связи (часть 1 – Теоретические основы передачи данных в информационных системах)
Введение
Раздел 1. Основы теории сигналов
2 Понятие сигнала и данных. Способы описания сигналов. Классификация сигналов. Частотно-временные характеристики сигналов [2], [5], [6]
Аналитическое исследование поведения информационной системы предполагает построение адекватной математической модели, отражающей характеристики элементов системы и возможные способы их взаимодействия.
Понятие функции, как определенной зависимости величины y от величины – х, с математической записью в виде у(х) позволяет применять математический аппарат функций в качестве базовой основы построения моделей технических систем. Особое значение функциональная математика приобрела в технике связи, где временные функции вида s(t), v(f) и т. д., используемые для передачи информации, получили название сигналов. При анализе сигналов предметом исследований является сигнал как математический объект, представленный в виде некоторой функции f(t), где t – независимая переменная любой физической природы (время, перемещение, частота и т.п.). Функции, обозначающие реальный сигнал, всегда вещественные, т.е. являются вещественными функциями вещественных переменных.