что такое символьная скорость
Сети кабельного телевидения для самых маленьких. Часть 4: Цифровая составляющая сигнала
Все мы прекрасно знаем, что мир техники вокруг — цифровой, либо стремится к этому. Цифровое телевещание — далеко не новость, однако если вы не интересовались этим специально, для вас могут быть неожиданными присущие ему технологии.
Состав цифрового телевизионного сигнала
Цифровой телевизионный сигнал представляет из себя транспортный поток разных версий MPEG (иногда и других кодеков), передаваемый радиосигналом с применением квадратурно-амплитудной модуляции QAM разной степени. Любому связисту эти слова должны быть ясны как день, поэтому приведу лишь гифку из википедии, которая, надеюсь, даст понимание что это такое для тех, кто просто ещё не интересовался:
UPD: В комментариях эта картинка признана некорректной, но, тем не менее, она весьма наглядна. Поэтому оставлю для тех, кто ничего не знает о модуляции и не очень хочет углубляться, но хочет понять что за точки мы тут обсуждаем.
Такая модуляция в том или ином виде используется не только для «телеанахронизма», но и всех, находящихся на пике технологий систем передачи данных. Скорость цифрового потока в «антенном» кабеле составляет сотни мегабит!
Параметры цифрового сигнала
Воспользовавшись прибором Deviser DS2400T в режиме отображения параметров цифрового сигнала, мы сможем увидеть как это бывает на самом деле:
В нашей сети пристутсвуют сигналы сразу трёх стандартов: это DVB-T, DVB-T2 и DVB-C. Рассмотрим их по очереди.
Этот стандарт не стал основным в нашей стране, уступив место второй версии, однако он вполне пригоден для использования оператором по той причине, что приёмники DVB-T2 обратно совместимы со стандартом первого поколения, а значит абонент может принять такой сигнал на практически любой цифровой телевизор без дополнительных приставок. Кроме того, предназначенный для передачи по воздуху стандарт (буква T — означает Terrestrial, эфир), обладает столь хорошей помехозащищённостью и избыточностью, что порой работает там, где по каким-то причинам не пролезает аналоговый сигнал.
На экране прибора мы можем наблюдать как строится созвездие 64QAM (стандарт поддерживает QPSK, 16QAM, 64QAM). Видно, что в реальных условиях точки отнюдь не складываются в одну, а приходят с некоторым разлётом. Это нормально до тех пор, пока декодер может определить к какому именно квадрату относится прилетевшая точка, но даже на приведённом изображении видны участки, где они расположены на границе или близко к ней. По этой картине можно быстро «на глаз» определить качество сигнала: при плохой работе усилителя, например, точки располагаются хаотично, а телевизор не может собрать картинку из полученных данных: «пикселит», а то и совсем замирает. Бывают случаи, когда процессор усилителя «забывает» добавить в сигнал одну из составляющих (амплитуду или фазу). В таких случаях на экране прибора можно увидеть круг или кольцо размером во всё поле. Две точки за пределами основного поля являются опорными для приёмника и не несут информации.
В левой части экрана под номером канала мы видим количественные параметры:
Уровень сигнала (P) в тех же дБмкВ, что и для аналога, однако для цифрового сигнала ГОСТ регламентирует уже лишь 50дБмкВ на входе в приёмник. То есть на участках с бо́льшим затуханием «цифра» будет работать лучше аналога.
DVB-T2
Принятый в России стандарт цифрового эфирного вещания так же может быть передан по кабелю. Форма созвездия при первом взгляде может несколько удивить:
Этот стандарт изначально создан для передачи по кабелю (C — Cable) — среде намного стабильнее воздуха, поэтому позволяет использовать более высокую степень модуляции чем DVB-T, а значит и передавать больший объём информации, не используя при этом сложное кодирование.
Тут мы видим созвездие 256QAM. Квадратов стало больше, размер их стал меньше. Вероятность ошибки увеличилась, а значит для передачи такого сигнала нужна более надёжная среда (или более сложное кодирование, как в DVB-T2). Такой сигнал может «рассыпаться» там, где работают аналог и DVB-T/T2, однако он так же имеет запас помехозащищённости и алгоритмы исправления ошибок.
В силу большей вероятности ошибки, параметр MER для 256-QAM нормирован уже в 32дБ.
Счётчик ошибочных бит поднялся ещё на порядок и вычисляет уже один ошибочный бит на миллиард, но даже если их будет сотни миллионов (PRE-BER
E-07-8), то используемый в этом стандарте декодер Рида-Соломона устранит все ошибки.
СОДЕРЖАНИЕ
Символы
Отношение к общей скорости передачи данных
Разница между бодами (или скоростью передачи сигналов) и скоростью передачи данных (или битовой скоростью) подобна человеку, использующему один семафорный флаг, который может перемещать 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. Для кодирования восьми состояний требуется три двоичных цифры. Скорость передачи данных составляет три бита в секунду. В Военно-морском флоте одновременно могут 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.
В этом случае используются M = 2 N различных символов. В модеме это могут быть синусоидальные тона с уникальными комбинациями амплитуды, фазы и / или частоты. Например, в модеме 64QAM M = 64. В линейном коде это могут быть M различных уровней напряжения.
Принимая информацию на импульс N в битах / импульсах как логарифм с основанием 2 для количества отдельных сообщений M, которые могут быть отправлены, Хартли построил меру общей скорости передачи R как:
Модемы для передачи с полосой пропускания
Модуляция используется в каналах с полосой пропускания, таких как телефонные линии, радиоканалы и другие каналы с частотным разделением каналов (FDM).
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. Может быть достигнута высокая спектральная эффективность в (бит / с) / Гц; т. е. высокая скорость передачи в битах / с, хотя полоса пропускания в герцах может быть низкой.
Примеры модемов для голосовой связи:
Линейные коды для передачи в основной полосе частот
В случае канала основной полосы частот, такого как телеграфная линия, последовательный кабель или кабель витой пары локальной вычислительной 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 или частота следования импульсов для канала основной полосы частот называется скоростью Найквиста и равна удвоенной ширине полосы (удвоенной частоте среза).
Простейшие цифровые каналы связи (например, отдельные провода на материнской плате или последовательный порт RS-232 / COM-порт) обычно имеют символьную скорость, равную общей скорости передачи данных.
Кабели локальной сети Ethernet 1000 Мбит / с используют четыре пары проводов в полнодуплексном режиме (250 Мбит / с на пару в обоих направлениях одновременно) и много бит на символ для кодирования полезной нагрузки данных.
Пример цифрового телевидения и OFDM
При передаче цифрового телевидения расчет символьной скорости:
символьная скорость в символах в секунду = (Скорость передачи данных в битах в секунду × 204) / (188 × бит на символ)
Количество битов на символ равно (мощность модуляции 2) × (прямая коррекция ошибок). Так, например, в модуляции 64-QAM 64 = 2 6, поэтому бит на символ равен 6. Прямая коррекция ошибок (FEC) обычно выражается дробью; 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.
заданная скорость передачи = 18096263 Тип модуляции = 64-QAM FEC = 3/4
символьная скорость знак равно 18096263 6 ⋅ 3 4 204 188 знак равно 18096263 6 4 3 204 188 знак равно 4363638 <\ displaystyle <\ text <символьная скорость>> = <\ cfrac <18096263> <6 \ cdot <\ frac <3><4>>>>
<\ cfrac <204><188>> = 4363638> 
Связь с чиповой ставкой
Связь с частотой ошибок по битам
Недостаток передачи большого количества битов на символ состоит в том, что приемник должен различать многие уровни сигналов или символы друг от друга, что может быть трудным 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 принимает во внимание полосу пропускания канала, желаемую скорость передачи информации, шумовые характеристики канала и приемника, а также сложность приемника и декодера.
Модуляция
Двоичная модуляция
Не степень 2
Скорость передачи данных по сравнению с частотой ошибок
Существенное состояние
СОДЕРЖАНИЕ
Символы
Отношение к общей скорости передачи данных
Разница между бодами (или скоростью передачи сигналов) и скоростью передачи данных (или битовой скоростью) подобна человеку, использующему один семафорный флаг, который может перемещать 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. Для кодирования восьми состояний требуется три двоичных цифры. Скорость передачи данных составляет три бита в секунду. В Военно-морском флоте одновременно могут 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.
В этом случае используются M = 2 N различных символов. В модеме это могут быть синусоидальные тона с уникальными комбинациями амплитуды, фазы и / или частоты. Например, в модеме 64QAM M = 64. В линейном коде это могут быть M различных уровней напряжения.
Принимая информацию на импульс N в битах / импульсах как логарифм с основанием 2 для количества отдельных сообщений M, которые могут быть отправлены, Хартли построил меру общей скорости передачи R как:
Модемы для передачи с полосой пропускания
Модуляция используется в каналах с полосой пропускания, таких как телефонные линии, радиоканалы и другие каналы с частотным разделением каналов (FDM).
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. Может быть достигнута высокая спектральная эффективность в (бит / с) / Гц; т. е. высокая скорость передачи в битах / с, хотя полоса пропускания в герцах может быть низкой.
Примеры модемов для голосовой связи:
Линейные коды для передачи в основной полосе частот
В случае канала основной полосы частот, такого как телеграфная линия, последовательный кабель или кабель витой пары локальной вычислительной 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 или частота следования импульсов для канала основной полосы частот называется скоростью Найквиста и равна удвоенной ширине полосы (удвоенной частоте среза).
Простейшие цифровые каналы связи (например, отдельные провода на материнской плате или последовательный порт RS-232 / COM-порт) обычно имеют символьную скорость, равную общей скорости передачи данных.
Кабели локальной сети Ethernet 1000 Мбит / с используют четыре пары проводов в полнодуплексном режиме (250 Мбит / с на пару в обоих направлениях одновременно) и много бит на символ для кодирования полезной нагрузки данных.
Пример цифрового телевидения и OFDM
При передаче цифрового телевидения расчет символьной скорости:
символьная скорость в символах в секунду = (Скорость передачи данных в битах в секунду × 204) / (188 × бит на символ)
Количество битов на символ равно (мощность модуляции 2) × (прямая коррекция ошибок). Так, например, в модуляции 64-QAM 64 = 2 6, поэтому бит на символ равен 6. Прямая коррекция ошибок (FEC) обычно выражается дробью; 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.
заданная скорость передачи = 18096263 Тип модуляции = 64-QAM FEC = 3/4
символьная скорость знак равно 18096263 6 ⋅ 3 4 204 188 знак равно 18096263 6 4 3 204 188 знак равно 4363638 <\ displaystyle <\ text <символьная скорость>> = <\ cfrac <18096263> <6 \ cdot <\ frac <3><4>>>>
<\ cfrac <204><188>> = 4363638>
Связь с чиповой ставкой
Связь с частотой ошибок по битам
Недостаток передачи большого количества битов на символ состоит в том, что приемник должен различать многие уровни сигналов или символы друг от друга, что может быть трудным 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 принимает во внимание полосу пропускания канала, желаемую скорость передачи информации, шумовые характеристики канала и приемника, а также сложность приемника и декодера.
Модуляция
Двоичная модуляция
Не степень 2
Скорость передачи данных по сравнению с частотой ошибок
Существенное состояние
Содержание
Символы
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.
Отношение к общему битрейту
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 = 2 N 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.
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:
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)
Количество битов на символ равно (мощность модуляции 2) × (прямая коррекция ошибок). Так, например, в модуляции 64-QAM 64 = 2 6 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.
заданная скорость передачи = 18096263 Тип модуляции = 64-QAM FEC = 3/4
символьная скорость = 18096263 6 ⋅ 3 4 204 188 = 18096263 6 4 3 204 188 = 4363638 < displaystyle < text <символьная скорость>> = < cfrac <18096263> <6 cdot < frac <3><4>>>>
< cfrac <204><188>> = 4363638>
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
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 1,3 3 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.
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 = 2 б 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 сигналпараметры, выбранные для представления Информация. [3]
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]