Символьная скорость - Symbol rate

В цифровые коммуникации, символьная скорость, также известный как скорость передачи и скорость модуляции, - количество изменений символа, изменений формы сигнала или событий сигнализации в среде передачи в единицу времени с использованием цифрового модулированный сигнал или линейный код. Символьная скорость измеряется в бод (Bd) или символов в секунду. В случае линейного кода символьная скорость - это частота импульсов в импульсах в секунду. Каждый символ может представлять или передавать одно или несколько биты данных. Символьная скорость связана с общий битрейт выражается в битах в секунду.

Символы

Символ может быть описан либо как импульс при цифровой передаче в основной полосе частот, либо как тон при передаче в полосе пропускания с использованием модемов. Символ - это форма волны, состояние или важное условие канал связи который сохраняется, на фиксированный период времени. Передающее устройство размещает символы в канале с фиксированной и известной скоростью передачи символов, а принимающее устройство выполняет работу по обнаружению последовательности символов для восстановления переданных данных. Может быть прямое соответствие между символом и небольшой единицей данные. Например, каждый символ может кодировать одна или несколько двоичных цифр или «битов». Данные также могут быть представлены переходами между символами или даже последовательностью из многих символов.

В время действия символа, также известный как единичный интервал, можно напрямую измерить как время между переходами, глядя на глазковая диаграмма из осциллограф. Время действия символа Тs можно рассчитать как:

куда жs скорость передачи символов.

Например, скорость передачи 1 кбод = 1000 бод является синонимом скорости передачи 1000 символов в секунду. В случае модема это соответствует 1000 тональных сигналов в секунду, а в случае линейного кода - 1000 импульсов в секунду. Продолжительность символа составляет 1/1000 секунды = 1 миллисекунда.

Отношение к общему битрейту

Термин скорость передачи данных иногда неправильно использовался для обозначения скорости передачи данных, поскольку в старых модемы а также в простейших цифровых каналах связи, использующих только один бит на символ, так что двоичный «0» представлен одним символом, а двоичный «1» - другим символом. В более продвинутых модемах и методах передачи данных символ может иметь более двух состояний, поэтому он может представлять более одной двоичной цифры (двоичная цифра всегда представляет одно из двух состояний). По этой причине значение скорости передачи данных часто бывает ниже, чем полная скорость передачи данных.

Пример использования и неправильного использования "скорости передачи": Правильно написать «скорость передачи моего COM-порта - 9600», если мы имеем в виду, что скорость передачи данных составляет 9600 бит / с, поскольку в этом случае на символ приходится один бит. Неправильно писать «скорость передачи Ethernet 100 мегабод "или" скорость передачи моего модема составляет 56000 бод ", если мы имеем в виду скорость передачи данных. Подробнее об этих методах см. ниже.

Разница между бодами (или скоростью передачи сигналов) и скоростью передачи данных (или битрейтом) подобна тому, как если бы человек использовал один флаг семафора который может перемещать свою руку в новое положение раз в секунду, поэтому его скорость передачи сигналов (бод) составляет один символ в секунду. Флаг можно удерживать в одном из восьми различных положений: прямо вверх, 45 ° влево, 90 ° влево, 135 ° влево, прямо вниз (это состояние покоя, когда он не посылает сигнал), 135 ° вправо, 90 °. вправо и 45 ° вправо. Каждый сигнал (символ) несет три бита информации. Требуется три двоичный цифры для кодирования восьми состояний. Скорость передачи данных составляет три бита в секунду. В Военно-морском флоте одновременно может использоваться более одного образца флага и рукава, поэтому их комбинации дают много символов, каждый из которых передает несколько битов, что обеспечивает более высокую скорость передачи данных.

Если N биты передаются на символ, а полная скорость передачи рС учетом служебных данных канального кодирования скорость передачи символов может быть вычислена как:

В таком случае M = 2N используются разные символы. В модеме это могут быть синусоидальные тона с уникальными комбинациями амплитуды, фазы и / или частоты. Например, в 64QAM модем, M = 64. В линейном коде это могут быть M разные уровни напряжения.

Принимая информацию за импульс N в битах / импульсах в качестве базы-2-логарифм количества различных сообщений M что может быть отправлено, Хартли[1] построил меру валового битрейта р в качестве:

куда жs скорость передачи в символах в секунду или импульсах в секунду. (Видеть Закон Хартли ).

Модемы для передачи с полосой пропускания

Модуляция используется в полоса пропускания фильтрованные каналы, такие как телефонные линии, радиоканалы и другие мультиплексирование с частотным разделением (FDM) каналы.

В методе цифровой модуляции, обеспечиваемой модем, каждый символ обычно представляет собой тон синусоидальной волны с определенной частотой, амплитудой и фазой. Символьная скорость, скорость передачи - это количество передаваемых тонов в секунду.

Один символ может нести один или несколько битов информации. В модемах голосового диапазона для телефонной сети обычно один символ содержит до 7 бит.

Передача более одного бита на символ или бит на импульс имеет преимущества. Это сокращает время, необходимое для отправки определенного количества данных через ограниченную полосу пропускания. Высота спектральная эффективность в (бит / с) / Гц может быть достигнуто; то есть высокая скорость передачи в битах / с, хотя полоса пропускания в герцах может быть низкой.

Максимальная скорость передачи для полосы пропускания для распространенных методов модуляции, таких как QAM, PSK и OFDM примерно равна ширине полосы пропускания.[2]

Примеры модема для голосовой связи:

  • А V.22bis модем передает 2400 бит / с с использованием 1200 бод (1200 символов / с), где каждый квадратурная амплитудная модуляция символ несет два бита Информация. Модем может генерировать M=22= 4 разных символа. Для этого требуется полоса пропускания 1200 Гц (равная скорости передачи). В несущая частота составляет 1800 Гц, что означает, что нижняя частота среза составляет 1,800 - 1,200 / 2 = 1,200 Гц, а верхняя частота среза составляет 1,800 + 1,200 / 2 = 2400 Гц.
  • Модем V.34 может передавать символы со скоростью 3420 бод, и каждый символ может нести до десяти битов, в результате чего общая скорость передачи данных составляет 3420 × 10 = 34 200 бит / с. Однако считается, что модем работает с чистой скоростью передачи 33 800 бит / с, не считая служебных данных физического уровня.

Линейные коды для передачи в основной полосе частот

В случае основная полоса канал, такой как телеграфная линия, последовательный кабель или кабель витой пары локальной сети, данные передаются с использованием линейных кодов; т.е. импульсы а не синусоидальные тона. В этом случае скорость передачи данных является синонимом частоты импульсов в импульсах в секунду.

Максимальная скорость передачи данных или частота импульсов для основная полоса канал называется Курс Найквиста, и вдвое больше полосы пропускания (вдвое больше частоты среза).

Простейшие цифровые каналы связи (такие как отдельные провода на материнской плате или последовательный порт RS-232 / COM-порт) обычно имеют скорость передачи символов, равную общей скорости передачи данных.

Обычные каналы связи, такие как 10 Мбит / с Ethernet (10Base-T ), USB, и FireWire обычно имеют скорость передачи символов немного ниже, чем скорость передачи данных, из-за накладных расходов на дополнительные символы, не относящиеся к данным, используемые для самосинхронизирующийся код и обнаружение ошибок.

Ж. М. Эмиль Бодо (1845–1903) разработал пятибитовый код для телеграфов, который был стандартизирован на международном уровне и обычно называется Код Бодо.

Более двух уровней напряжения используются в передовых технологиях, таких как FDDI и 100/1000 Мбит / s локальные сети Ethernet и другие для достижения высоких скоростей передачи данных.

Кабели локальной сети Ethernet 1000 Мбит / с используют четыре пары проводов в полный дуплекс (250 Мбит / с на пару в обоих направлениях одновременно) и много битов на символ для кодирования полезной нагрузки данных.

Пример цифрового телевидения и OFDM

В цифровое телевидение передача расчет символьной скорости:

скорость передачи символов в символах в секунду = (Скорость передачи данных в битах в секунду × 204) / (188 × бит на символ)

204 - это количество байтов в пакете, включая 16 завершающих. Рид-Соломон проверка и исправление ошибок байтов. 188 - это количество байтов данных (187 байт) плюс начальный пакет. байт синхронизации (0x47).

Количество битов на символ равно (мощность модуляции 2) × (прямая коррекция ошибок). Так, например, в модуляции 64-QAM 64 = 26 поэтому количество битов на символ равно 6. Прямая коррекция ошибок (FEC) обычно выражается в виде дроби; т.е. 1/2, 3/4 и т. д. В случае 3/4 FEC на каждые 3 бита данных вы отправляете 4 бита, один из которых предназначен для исправления ошибок.

Пример:

заданная скорость передачи = 18096263
Тип модуляции = 64-QAM
FEC = 3/4

тогда

В цифровом наземном телевидении (DVB-T, DVB-H и аналогичные техники) OFDM используется модуляция; то есть модуляция с несколькими несущими. Вышеупомянутая символьная скорость затем должна быть разделена на количество поднесущих OFDM для достижения символьной скорости OFDM. Увидеть Таблица сравнения систем OFDM для получения дополнительных числовых деталей.

Связь с чипом

Некоторые каналы связи (например, GPS трансмиссии, CDMA сотовые телефоны и др. расширенный спектр ссылки) имеют символьную скорость намного выше, чем скорость передачи данных (они передают много символов, называемых чипсы на бит данных). Представление одного бита последовательностью чипов из многих символов преодолевает внутриканальная помеха от других передатчиков, использующих тот же частотный канал, включая глушение радио, и часто встречается в военное радио и сотовые телефоны. Несмотря на то, что используя больше пропускная способность переносить тот же битрейт дает низкий спектральная эффективность канала в (бит / с) / Гц, это позволяет использовать несколько одновременных пользователей, что приводит к высокой спектральная эффективность системы в (бит / с) / Гц на единицу площади.

В этих системах скорость передачи символов физически передаваемого высокочастотного сигнала называется скорость чипа, которая также является частотой следования эквивалентных основная полоса сигнал. Однако в системах с расширенным спектром термин «символ» также может использоваться на более высоком уровне и относиться к одному информационному биту или блоку информационных битов, которые модулируются с использованием, например, традиционной модуляции QAM, до применения кода расширения CDMA. Используя последнее определение, скорость передачи символов равна или ниже скорости передачи данных.

Связь с частотой ошибок по битам

Недостатком передачи большого количества битов на символ является то, что приемник должен различать многие уровни сигналов или символы друг от друга, что может быть затруднительным и вызывать битовые ошибки в случае плохой телефонной линии, которая страдает от низкого отношения сигнал / шум. В этом случае модем или сетевой адаптер могут автоматически выбрать более медленную и более надежную схему модуляции или линейный код, используя меньшее количество битов на символ, чтобы уменьшить частоту ошибок по битам.

Оптимальный дизайн набора символов учитывает ширину полосы канала, желаемую скорость передачи информации, шумовые характеристики канала и приемника, а также сложность приемника и декодера.

Модуляция

Много передача данных системы работают модуляция из несущий сигнал. Например, в частотная манипуляция (FSK) частота тона варьируется среди небольшого фиксированного набора возможных значений. В синхронный В системе передачи данных тональный сигнал можно менять только с одной частоты на другую через регулярные и четко определенные интервалы. Наличие одной конкретной частоты в течение одного из этих интервалов составляет символ. (Концепция символов не применяется к системам асинхронной передачи данных.) В модулированной системе термин скорость модуляции может использоваться как синоним символьной скорости.

Двоичная модуляция

Если несущий сигнал имеет только два состояния, то только одно кусочек данных (т.е. 0 или 1) может передаваться в каждом символе. В битрейт в этом случае равна символьной скорости. Например, двоичная система FSK позволит несущей иметь одну из двух частот, одна из которых представляет 0, а другая - 1. Более практичная схема дифференциальная двоичная фазовая манипуляция, в котором несущая остается на той же частоте, но может находиться в одной из двух фаз. Во время каждого символа фаза либо остается той же, кодируя 0, либо перескакивает на 180 °, кодируя 1. Опять же, только один кусочек данных (то есть 0 или 1) передается каждым символом. Это пример данных, кодируемых при переходах между символами (изменение фазы), а не самих символов (фактическая фаза). (Причина этого в фазовой манипуляции заключается в том, что нецелесообразно знать опорную фазу передатчика.)

N-арная модуляция, N больше чем 2

Увеличивая количество состояний, которые может принимать несущий сигнал, количество битов, закодированных в каждом символе, может быть больше единицы. Тогда битовая скорость может быть больше символьной скорости. Например, система дифференциальной фазовой манипуляции может допускать четыре возможных скачка по фазе между символами. Тогда два бита можно было кодировать в каждом интервале символа, достигая скорости передачи данных, вдвое превышающей скорость передачи символов. В более сложной схеме, такой как 16-КАМ, в каждом символе передается четыре бита данных, в результате чего скорость передачи битов в четыре раза превышает скорость передачи символов.

Не степень 2

Хотя обычно выбирают количество символов как степень двойки и отправляют целое число бит на бод, это не требуется. Коды линий, такие как биполярное кодирование и МЛТ-3 использовать три состояния несущей для кодирования одного бита на бод при сохранении Баланс постоянного тока.

В 4B3T линейный код использует три 3-х модулированных бита для передачи четырех битов данных, скорость 1,33 бит на бод.

Скорость передачи данных по сравнению с частотой ошибок

Модуляция несущей увеличивает частотный диапазон, или пропускная способность, он занимает. Каналы передачи обычно ограничены по пропускной способности, которую они могут нести. Полоса пропускания зависит от скорости передачи символов (модуляции) (а не напрямую от битрейт ). Поскольку скорость передачи битов является произведением скорости передачи символов и числа битов, закодированных в каждом символе, очевидно, что предпочтительно увеличивать последнее, если первое фиксировано. Однако для каждого дополнительного бита, закодированного в символе, совокупность символов (количество состояний несущей) удваивается в размере. Это делает состояния менее отличными друг от друга, что, в свою очередь, затрудняет для приемника правильное обнаружение символа при наличии помех в канале.

История модемы - это попытка увеличения скорости передачи данных в фиксированной полосе пропускания (и, следовательно, фиксированной максимальной скорости передачи символов), приводящая к увеличению количества бит на символ. Например, V.29 определяет 4 бита на символ при символьной скорости 2400 бод, что дает эффективную скорость передачи 9600 бит в секунду.

История расширенный спектр идет в противоположном направлении, что приводит к все меньшему количеству битов данных на символ для расширения полосы пропускания. В случае GPS скорость передачи данных составляет 50 бит / с, а скорость передачи символов - 1,023 Mchips / s. Если каждый чип считается символом, каждый символ содержит намного меньше одного бита (50 бит / с / 1023 ксимволов / с ≈ 0,000,05 бит / символ).

Полная коллекция M возможные символы по конкретному каналу называется Мэри модуляция схема. Большинство схем модуляции передают некоторое целое число бит на символ. б, требуя, чтобы вся коллекция содержала M = 2б разные символы. Наиболее популярные схемы модуляции можно описать, указав каждую точку на диаграмма созвездия, хотя несколько схем модуляции (например, MFSK, DTMF, импульсно-позиционная модуляция, расширенный спектр модуляция) требуют другого описания.

Существенное состояние

В телекоммуникации, касательно модуляция из перевозчик, а значительное состояние один из сигнал параметры, выбранные для представления Информация.[3]

Существенным условием может быть электрический ток (напряжение или мощность уровень), уровень оптической мощности, a фаза значение или конкретный частота или же длина волны. Продолжительность значительного состояния - это время интервал между следующими друг за другом значимыми моментами.[3] Переход от одного значимого состояния к другому называется сигнальный переход. Информация может быть передана либо в течение заданного временного интервала, либо закодирована как наличие или отсутствие изменения принятого сигнала.[4]

Существенные условия распознаются соответствующим устройством, называемым приемником, демодулятором или декодером. Декодер преобразует фактический полученный сигнал в предполагаемый логическое значение например, двоичная цифра (0 или 1), алфавитный символ, знак или пробел. Каждый значительный момент определяется, когда соответствующее устройство принимает условие или состояние, пригодное для выполнения определенной функции, такой как запись, обработка или ворота.[3]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Д. А. Белл (1962). Теория информации; и его инженерные приложения (3-е изд.). Нью-Йорк: Питман.
  2. ^ Голдсмит А. Беспроводная связь. - Стэнфордский университет, 2004 г. - п. 140, 326
  3. ^ а б c «Федеральный стандарт 1037С». Национальная система связи. 7 июля 1996 г. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  4. ^ «Стандарт системного проектирования и разработки тактических коммуникаций». Mil-Std-188-200. Министерство обороны США. 28 мая 1983 года.

внешняя ссылка