Скорость передачи символов

В сигнале с цифровой модуляцией или линейном коде , символов скорость передачи скорость модуляции или скорость передачи данных — это количество изменений символов, изменений формы сигнала или сигнальных событий в среде передачи за единицу времени . Скорость передачи символов измеряется в бодах (Бд) или символах в секунду . В случае линейного кода скорость передачи символов представляет собой частоту импульсов в импульсах в секунду. Каждый символ может представлять или передавать один или несколько битов данных. Скорость передачи символов связана с общей скоростью передачи данных , выраженной в битах в секунду .

Символы

Символ может быть описан либо как импульс при цифровой передаче в полосе частот, либо как тон при передаче в полосе пропускания с использованием модемов. Символ — это форма сигнала, состояние или существенное состояние канала связи , которое сохраняется в течение фиксированного периода времени. Передающее устройство помещает символы в канал с фиксированной и известной скоростью передачи символов, а принимающее устройство должно обнаруживать последовательность символов, чтобы восстановить переданные данные. Между символом и небольшой единицей данных может существовать прямое соответствие . Например, каждый символ может кодировать одну или несколько двоичных цифр (битов). Данные также могут быть представлены переходами между символами или даже последовательностью многих символов.

, Время длительности символа также известное как единичный интервал измерить как время между переходами, взглянув на глазковую диаграмму осциллографа , можно непосредственно . Время продолжительности символа T _s можно рассчитать как:

$T_{s}={1 \over f_{s}}$

где f _s — символьная скорость.

Например, скорость передачи данных 1 кБд = 1000 Бод является синонимом скорости передачи символов 1000 символов в секунду. В случае модема это соответствует 1000 тонов в секунду, а в случае линейного кода — 1000 импульсов в секунду. Длительность символа составляет 1/1000 секунды = 1 миллисекунда.

Связь с общей скоростью передачи данных

Термин «скорость передачи данных» иногда неправильно используется для обозначения скорости передачи данных, поскольку эти скорости одинаковы в старых модемах , а также в простейших цифровых каналах связи, использующих только один бит на символ, так что двоичный «0» представлен одним символом. и двоичная «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 ровно двух состояний). По этой причине значение скорости передачи данных часто будет ниже общей скорости передачи данных.

Пример использования и неправильного использования «скорости передачи данных» : Правильно написать «скорость передачи данных моего COM-порта равна 9600», если мы имеем в виду, что скорость передачи данных равна 9600 бит/с, поскольку в этом случае на каждый символ приходится один бит. . Неправильно писать «скорость передачи данных Ethernet составляет 100 мегабод » или «скорость передачи моего модема составляет 56 000 бод», если мы имеем в виду скорость передачи данных. Более подробную информацию об этих методах смотрите ниже.

Разница между бодами (или скоростью передачи сигналов) и скоростью передачи данных (или скоростью передачи данных) подобна человеку, использующему один семафорный флаг , который может перемещать руку в новое положение каждую секунду, поэтому его скорость передачи сигналов (бод) равна одному символу. в секунду. Флаг можно держать в одном из восьми различных положений: прямо вверх, 45° влево, 90° влево, 135° влево, прямо вниз (это состояние покоя, когда он не посылает сигнала), 135° вправо, 90°. вправо и 45° вправо. Каждый сигнал (символ) несет три бита информации. требуются три двоичные Для кодирования восьми состояний цифры. Скорость передачи данных составляет три бита в секунду. В ВМФ одновременно можно использовать более одного образца флага и руки, поэтому их комбинации создают множество символов, каждый из которых передает несколько битов, что обеспечивает более высокую скорость передачи данных.

Если N на символ передаются битов, а общая скорость передачи данных равна R , включая накладные расходы на канальное кодирование, скорость передачи символов можно рассчитать как:

$f_{s}={R \over N}$

В этом случае М = 2 ^Н используются разные символы. В модеме это могут быть синусоидальные сигналы с уникальными комбинациями амплитуды, фазы и/или частоты. Например, в 64QAM модеме M = 64. В линейном коде это могут быть M разных уровней напряжения.

Принимая информацию за импульс N в битах/импульсах как логарифм по основанию 2 количества различных сообщений M , которые могут быть отправлены, Хартли построил меру общей скорости передачи данных R как:

$R=f_{s}\log _{2}(M)$

где f _s — скорость передачи данных в символах/секунду или импульсах/секунду. (См. закон Хартли ).

Модемы для передачи в полосе пропускания

Модуляция используется в каналах с полосовой фильтрацией, таких как телефонные линии, радиоканалы и другие каналы мультиплексирования с частотным разделением каналов (FDM).

В методе цифровой модуляции, обеспечиваемом модемом , каждый символ обычно представляет собой синусоидальный тон с определенной частотой, амплитудой и фазой. Скорость передачи символов, скорость передачи данных, — это количество передаваемых тонов в секунду.

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

Передача более одного бита на символ или бита на импульс имеет преимущества. Это сокращает время, необходимое для отправки заданного количества данных по ограниченной полосе пропускания. высокая спектральная эффективность Может быть достигнута в (бит/с)/Гц; т. е. высокая скорость передачи данных в бит/с, хотя полоса пропускания в герцах может быть низкой.

Максимальная скорость передачи данных для полосы пропускания для распространенных методов модуляции, таких как QAM , PSK и OFDM, примерно равна полосе пропускания.

Примеры модемов Voiceband:

• Модем V.22bis передает 2400 бит/с с использованием 1200 Бод (1200 символов/с), где каждый символ квадратурной амплитудной модуляции несет два бита информации . Модем может генерировать M =2 ² = 4 разных символа. Для этого требуется полоса пропускания 1200 Гц (равная скорости передачи данных). равна Несущая частота 1800 Гц, то есть нижняя частота среза равна 1800 − 1200/2 = 1200 Гц, а верхняя частота среза равна 1800 + 1200/2 = 2400 Гц.
• Модем V.34 может передавать символы со скоростью 3420 Бод, и каждый символ может содержать до десяти бит, в результате чего общая скорость передачи данных составляет 3420 × 10 = 34 200 бит/с. Однако сообщается, что модем работает с чистой скоростью передачи данных 33 800 бит/с, исключая служебные данные физического уровня.

Линейные коды для передачи в основной полосе частот

В случае основного канала, такого как телеграфная линия, последовательный кабель или витая пара локальной сети, данные передаются с использованием линейных кодов; т.е. импульсы , а не синусоидальные тоны. В этом случае скорость передачи данных является синонимом частоты импульсов в импульсах в секунду.

Максимальная скорость передачи данных или частота импульсов для канала базовой полосы называется скоростью Найквиста и в два раза превышает ширину полосы пропускания (удвоенную частоту среза).

Простейшие каналы цифровой связи (например, 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 Ethernet 10 Мбит/с ( 10BASE-T ), USB и FireWire, обычно имеют скорость передачи данных немного ниже, чем скорость передачи данных, из-за накладных расходов на дополнительные символы, не относящиеся к данным, используемые для самосинхронизирующегося кода и обнаружение ошибок .

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

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

Кабели Ethernet LAN со скоростью 1000 Мбит/с используют четыре пары проводов в полнодуплексном режиме (250 Мбит/с на пару в обоих направлениях одновременно) и много битов на символ для кодирования полезных данных.

Пример цифрового телевидения и OFDM

При передаче цифрового телевидения расчет скорости передачи символов выглядит следующим образом:

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 байтов исправления ошибок Рида-Соломона . 188 — это количество байтов данных (187 байт) плюс ведущий байт синхронизации пакета (0x47).

Количество битов на символ равно (степень модуляции 2) × (прямое исправление ошибок). Так, например, в модуляции 64-QAM 64 = 2. ⁶ таким образом, 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:

данная скорость передачи данных = 18096263

Тип модуляции = 64-QAM

ФЭК = 3/4

затем

${\text{symbol rate}}={\cfrac {18096263}{6\cdot {\frac {3}{4}}}}~{\cfrac {204}{188}}={\cfrac {18096263}{6}}~{\cfrac {4}{3}}~{\cfrac {204}{188}}=4363638$

В цифровом наземном телевидении ( DVB-T , DVB-H и подобных технологиях) OFDM используется модуляция ; т.е. модуляция с несколькими несущими. Затем указанную выше скорость передачи символов следует разделить на количество рассматриваемых поднесущих OFDM, чтобы получить скорость передачи символов OFDM. см . в сравнительной таблице систем OFDM Дополнительные числовые данные .

Связь с частотой чипов

Некоторые каналы связи (например, GPS передачи , сотовые телефоны CDMA и другие каналы с расширенным спектром ) имеют скорость передачи символов, намного превышающую скорость передачи данных (они передают множество символов, называемых чипами на бит данных). Представление одного бита в виде последовательности чипов из многих символов позволяет преодолеть внутриканальные помехи от других передатчиков, использующих тот же частотный канал, включая радиопомехи , и распространено в военной радиосвязи и сотовых телефонах . Несмотря на то, что использование большей полосы пропускания для передачи той же скорости передачи данных дает низкую спектральную эффективность канала в (бит/с)/Гц, это позволяет одновременно использовать множество пользователей, что приводит к высокой спектральной эффективности системы в (бит/с)/Гц на единицу площади.

В этих системах скорость передачи символов физически передаваемого высокочастотного сигнала называется частотой чипов и также является частотой импульсов эквивалентного сигнала базовой полосы . 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, перед применением кода расширения CDMA. Используя последнее определение, скорость передачи символов равна или ниже скорости передачи данных.

Связь с частотой ошибок по битам

Недостаток передачи большого количества битов на символ заключается в том, что приемнику приходится отличать множество уровней сигнала или символов друг от друга, что может быть затруднительно и вызывать битовые ошибки в случае плохой телефонной линии с низким отношением сигнал/шум. В этом случае модем или сетевой адаптер может 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 полосу пропускания канала, желаемую скорость передачи информации, шумовые характеристики канала и приемника, а также сложность приемника и декодера.

Модуляция

Многие системы передачи данных работают путем модуляции сигнала несущего . Например, при частотной манипуляции (FSK) частота тона варьируется среди небольшого фиксированного набора возможных значений. В синхронной системе передачи данных тон может меняться с одной частоты на другую только через регулярные и четко определенные интервалы времени. Присутствие одной конкретной частоты в течение одного из этих интервалов представляет собой символ. (Понятие символов не применимо к асинхронным системам передачи данных.) В модулированной системе термин « скорость модуляции» может использоваться как синоним скорости передачи символов.

Бинарная модуляция

Если сигнал несущей имеет только два состояния, то в каждом символе может быть передан только один бит данных (т. е. 0 или 1). Скорость передачи данных в этом случае равна скорости передачи символов. Например, двоичная система FSK позволит несущей иметь одну из двух частот, одна из которых представляет 0, а другая 1. Более практичной схемой является дифференциальная двоичная фазовая манипуляция , при которой несущая остается на той же частоте. но может находиться в одной из двух фаз. В течение каждого символа фаза либо остается неизменной, кодируя 0, либо скачет на 180°, кодируя 1. Опять же, только один бит каждый символ передает данных (т. е. 0 или 1). Это пример данных, кодируемых при переходах между символами (изменение фазы), а не в самих символах (фактическая фаза). (Причина этого при фазовой манипуляции заключается в том, что непрактично знать опорную фазу передатчика.)

N -арная модуляция, N больше 2

За счет увеличения количества состояний, которые может принимать сигнал несущей, количество битов, закодированных в каждом символе, может быть больше одного. Тогда скорость передачи данных может быть больше, чем скорость передачи символов. Например, система дифференциальной фазовой манипуляции может допускать четыре возможных скачка фазы между символами. Тогда можно было бы закодировать два бита в каждом интервале символов, достигнув скорости передачи данных, вдвое превышающей скорость передачи символов. В более сложной схеме, такой как 16-QAM , в каждом символе передаются четыре бита данных, в результате чего скорость передачи данных в четыре раза превышает скорость передачи символов.

Не степень 2

Хотя обычно выбирают количество символов, равное степени 2, и отправляют целое число битов в бод, это не требуется. Линейные коды, такие как биполярное кодирование и MLT-3, используют три состояния несущей для кодирования одного бита на бод при сохранении баланса постоянного тока .

Линейный код 4B3T использует три 3-мерных модулированных бита для передачи четырех битов данных со скоростью 1,33 бита на бод.

Скорость передачи данных в сравнении с частотой ошибок

Модуляция несущей увеличивает диапазон частот или полосу пропускания , которую она занимает. Каналы передачи обычно ограничены по пропускной способности, которую они могут передавать. Пропускная способность зависит от скорости передачи символов (модуляции) (а не напрямую от скорости передачи данных ). Поскольку скорость передачи данных является произведением скорости передачи символов и количества битов, закодированных в каждом символе, очевидно, выгодно увеличить последнюю, если первая фиксирована. Однако для каждого дополнительного бита, закодированного в символе, совокупность символов (количество состояний несущей) увеличивается в два раза. Это делает состояния менее отличными друг от друга, что, в свою очередь, затрудняет правильное обнаружение символа приемником при наличии помех в канале.

История модемов — это попытка увеличить скорость передачи данных при фиксированной полосе пропускания (и, следовательно, фиксированной максимальной скорости передачи символов), что привело к увеличению количества битов на символ. Например, ITU-T V.29 определяет 4 бита на символ при скорости передачи символов 2400 бод, что дает эффективную скорость передачи данных 9600 бит в секунду.

История расширения спектра идет в противоположном направлении, что приводит к уменьшению и уменьшению количества битов данных на символ для расширения полосы пропускания. В случае GPS мы имеем скорость передачи данных 50 бит/с и скорость передачи символов 1,023 Мчипов/с. Если каждый чип считать символом, каждый символ содержит гораздо меньше одного бита (50 бит/с / 1023 тыс. символов/с ≈ 0,000,05 бит/символ).

Полный набор M возможных символов по конкретному каналу называется M-арной схемой модуляции . Большинство схем модуляции передают некоторое целое число битов на символ b , требуя, чтобы полная коллекция содержала M = 2. ^б разные символы. Наиболее популярные схемы модуляции можно описать, показав каждую точку на диаграмме созвездия , хотя некоторые схемы модуляции (такие как MFSK , DTMF , позиционно-импульсная модуляция , модуляция с расширенным спектром ) требуют другого описания.

Значительное состояние

В телекоммуникациях , что касается модуляции несущей , , важным условием является один из параметров сигнала выбранный для представления информации .

Важным условием может быть электрический ток (напряжение или уровень мощности ), уровень оптической мощности, значение фазы или конкретная частота или длина волны . Продолжительность значимого состояния – это временной интервал между последовательными значимыми моментами. Переход от одного значимого состояния к другому называется переходом сигнала . Информация может передаваться либо в течение заданного интервала времени, либо закодироваться как наличие или отсутствие изменения принятого сигнала.

Важные условия распознаются соответствующим устройством, называемым приемником, демодулятором или декодером. Декодер преобразует фактический полученный сигнал в предполагаемое логическое значение , такое как двоичная цифра (0 или 1), буквенный символ, знак или пробел. Каждый важный момент определяется, когда соответствующее устройство принимает состояние или состояние, пригодное для выполнения определенной функции, такой как запись, обработка или стробирование .

См. также

• Пропускная способность (вычисления)
• Битрейт
• Скорость чипа
• Диаграмма созвездия , которая показывает (на графике или двумерном изображении осциллографа), как данное состояние сигнала (символ) может представлять три или четыре бита одновременно.
• Общая скорость передачи данных , также известная как скорость передачи данных или скорость линии .
• Список пропускной способности устройства
• Импульсно-кодовая модуляция
• Скорость передачи сигналов

Внешние ссылки

• Какова скорость символа?
• «О происхождении последовательной связи и кодирования данных» . Архивировано из оригинала 5 декабря 2012 года . Проверено 4 января 2007 г.
• В чем разница между скоростью передачи данных и скоростью передачи данных? , Журнал электронного дизайна