В цифровом модулированном сигнале или линейном коде скорость передачи символов , скорость модуляции или скорость передачи в бодах — это количество изменений символов, изменений формы сигнала или событий сигнализации в среде передачи за единицу времени . Скорость передачи символов измеряется в бодах (Бд) или символах в секунду . В случае линейного кода скорость передачи символов — это частота импульсов в импульсах в секунду. Каждый символ может представлять или передавать один или несколько бит данных. Скорость передачи символов связана с общей скоростью передачи в битах , выраженной в битах в секунду .
Символ может быть описан как импульс в цифровой передаче основной полосы частот или как тон в передаче полосы пропускания с использованием модемов. Символ - это форма волны, состояние или существенное условие 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 выполняет задачу обнаружения последовательности символов для восстановления переданных данных. Может быть прямое соответствие между символом и небольшой единицей данных . 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 , можно измерить напрямую как время между переходами, посмотрев на глазковую диаграмму осциллографа . Время длительности символа T s можно рассчитать как:
где f s — скорость передачи символов.
Например, скорость передачи данных 1 кБод = 1000 Бод соответствует скорости передачи символов 1000 символов в секунду. В случае модема это соответствует 1000 тонов в секунду, а в случае линейного кода это соответствует 1000 импульсов в секунду. Длительность символа составляет 1/1000 секунды = 1 миллисекунда.
Термин «скорость передачи данных» иногда неправильно использовался для обозначения скорости передачи битов, поскольку эти скорости одинаковы как в старых модемах , так и в простейших цифровых каналах связи, использующих только один бит на символ, так что двоичный «0» представлен одним символом, а 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 битов.
Пример использования и неправильного использования "скорости передачи данных" : Правильно писать "скорость передачи данных моего COM-порта составляет 9600", если мы имеем в виду скорость передачи данных 9600 бит/с, поскольку в этом случае на символ приходится один бит. Неправильно писать "скорость передачи данных Ethernet составляет 100 мегабод " или "скорость передачи данных моего модема составляет 56 000", 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 скоростью передачи битов) подобна человеку, использующему один семафорный флаг , который может перемещать свою руку в новое положение раз в секунду, поэтому его скорость передачи сигналов (бод) составляет один символ в секунду. Флаг может находиться в одном из восьми различных положений: прямо вверх, 45° влево, 90° влево, 135° влево, прямо вниз (что является состоянием 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 ВМС одновременно может использоваться более одного шаблона флага и руки, поэтому их комбинации создают много символов, каждый из которых передает несколько бит, что обеспечивает более высокую скорость передачи данных.
Если на один символ передается N бит, а общая скорость передачи данных равна R , включая накладные расходы на кодирование канала, скорость передачи символов можно рассчитать следующим образом:
В этом случае используется M = 2 N различных символов. В модеме это могут быть синусоидальные тоны с уникальными комбинациями амплитуды, фазы и/или частоты. Например, в модеме 64QAM M = 64. В линейном коде это могут быть M различных уровней напряжения.
Приняв информацию на импульс N в бит/импульс за логарифм по основанию 2 числа отдельных сообщений M , которые могут быть отправлены, Хартли [1] построил меру общей скорости передачи данных R как:
где f s — скорость передачи данных в символах/секунду или импульсах/секунду. (См. закон Хартли ).
Модуляция используется в каналах с полосовой фильтрацией, таких как телефонные линии, радиоканалы и другие каналы с частотным разделением каналов (FDM).
В методе цифровой модуляции, предоставляемом модемом , каждый символ обычно представляет собой тон синусоидальной волны с определенной частотой, амплитудой и фазой. Скорость передачи символов, скорость передачи в бодах, представляет собой количество переданных тонов в секунду.
Один символ может нести один или несколько бит информации. В модемах голосового диапазона для телефонной сети обычно один символ несет 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 . Может быть достигнута высокая спектральная эффективность в (бит/с)/Гц; т. е. высокая скорость передачи 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, приблизительно равна ширине полосы пропускания. [2]
Примеры модемов голосового диапазона:
В случае канала основной полосы , такого как телеграфная линия, последовательный кабель или кабель витой пары локальной вычислительной сети, данные передаются с использованием линейных кодов, т. е. импульсов , а не синусоидальных тонов. В этом случае скорость передачи данных является синонимом скорости импульсов в импульсах/секунду.
Максимальная скорость передачи данных или частота импульсов для канала базовой полосы называется скоростью Найквиста и в два раза превышает ширину полосы пропускания (в два раза превышает частоту среза).
Простейшие цифровые каналы связи (например, отдельные провода на материнской плате или последовательный порт RS-232/COM-порт) обычно имеют скорость передачи символов, равную общей скорости передачи данных.
Распространенные каналы связи, такие как Ethernet 10 Мбит/с ( 10BASE-T ), USB и FireWire , обычно имеют скорость передачи данных немного ниже скорости передачи данных в бодах из-за накладных расходов на дополнительные символы, не являющиеся данными, используемые для самосинхронизации кода и обнаружения ошибок .
Ж. М. Эмиль Бодо (1845–1903) разработал пятибитный код для телеграфов, который был стандартизирован на международном уровне и обычно называется кодом Бодо .
В современных технологиях, таких как FDDI и локальные сети Ethernet 100/1000 Мбит /с, а также в других, для достижения высоких скоростей передачи данных используется более двух уровней напряжения .
Кабели Ethernet LAN со скоростью 1000 Мбит/с используют четыре пары проводов в режиме полного дуплекса (250 Мбит/с на пару в обоих направлениях одновременно) и много бит на символ для кодирования полезной нагрузки данных.
При передаче цифрового телевидения скорость передачи символов рассчитывается следующим образом:
204 — это количество байтов в пакете, включая 16 конечных байтов исправления ошибок Рида-Соломона . 188 — это количество байтов данных (187 байт) плюс ведущий байт синхронизации пакета (0x47).
Число бит на символ равно (степени модуляции 2) × (прямая коррекция ошибок). Например, в модуляции 64-QAM 64 = 2 6, поэтому число бит на символ равно 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.
Пример:
затем
В цифровом наземном телевидении ( DVB-T , DVB-H и аналогичные технологии) используется модуляция OFDM ; т. е. модуляция с несколькими несущими. Затем указанную выше скорость передачи символов следует разделить на количество поднесущих OFDM, чтобы получить скорость передачи символов OFDM. Дополнительные числовые данные см. в сравнительной таблице систем OFDM .
Некоторые каналы связи (такие как передачи GPS , сотовые телефоны CDMA и другие каналы с расширенным спектром ) имеют скорость передачи символов, намного превышающую скорость передачи данных (они передают много символов, называемых чипами на бит данных). Представление одного бита последовательностью чипов из многих символов преодолевает помехи внутри канала от других передатчиков, использующих тот же частотный канал, включая радиопомехи , и распространено в военных радио и сотовых телефонах . Несмотря на то, что использование большей полосы пропускания для передачи той же скорости передачи битов дает низкую спектральную эффективность канала в (бит/с)/Гц, это позволяет многим одновременным пользователям, 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 скоростью чипа , которая также является частотой импульсов эквивалентного сигнала базовой полосы . Однако в системах с расширенным спектром термин символ может также использоваться на более высоком уровне и относиться к одному информационному биту или блоку информационных битов, которые модулируются с использованием, например, обычной модуляции QAM, до применения кода расширения CDMA. Используя последнее определение, скорость передачи символов равна или ниже скорости передачи битов.
Недостатком передачи большого количества бит на символ является то, что приемник должен различать много уровней сигнала или символов друг от друга, что может быть сложно и вызывать ошибки в битах в случае плохой телефонной линии с низким отношением сигнал/шум. В этом случае модем или сетевой адаптер может автоматически выбрать более медленную и надежную схему модуляции или линейный код, используя меньше бит на символ, чтобы снизить частоту ошибок в битах.
Оптимальная конструкция набора символов учитывает полосу пропускания канала, желаемую скорость передачи информации, шумовые характеристики канала и приемника, а также сложность приемника и декодера.
Многие системы передачи данных работают посредством модуляции несущего сигнала . Например, при частотной манипуляции (FSK) частота тона варьируется среди небольшого фиксированного набора возможных значений. В синхронной системе передачи данных тон может изменяться с одной частоты на другую только через регулярные и четко определенные интервалы. Наличие одной конкретной частоты в течение одного из этих интервалов представляет собой символ. (Концепция символов не применяется к асинхронным системам передачи данных.) В модулированной системе термин « скорость модуляции» может использоваться как синоним скорости символов.
Если несущий сигнал имеет только два состояния, то в каждом символе может передаваться только один бит данных (т. е. 0 или 1). Скорость передачи битов 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 , в которой 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 скачет на 180°, кодируя 1. Опять же, каждым символом передается только один бит данных (т. е. 0 или 1). Это пример того, как данные кодируются при переходах между символами (изменение фазы), а не сами символы (реальная фаза). (Причина этого в фазовой манипуляции заключается в том, что непрактично знать опорную фазу передатчика.)
Увеличивая количество состояний, которые может принимать несущий сигнал, количество битов, закодированных в каждом символе, может быть больше одного. Тогда скорость передачи битов может быть больше скорости передачи символов. Например, система дифференциальной фазовой манипуляции может допускать четыре возможных скачка фазы между символами. Затем два бита могут быть закодированы в каждом интервале символа, достигая скорости передачи данных в два раза больше скорости передачи символов. В более сложной схеме, такой как 16-QAM , в каждом символе передается четыре бита данных, что приводит к скорости передачи битов в четыре раза больше скорости передачи символов.
Хотя обычно выбирают число символов, равное степени 2, и отправляют целое число бит на бод, это не обязательно. Линейные коды, такие как биполярное кодирование и MLT-3, используют три состояния несущей для кодирования одного бита на бод, сохраняя при этом баланс постоянного тока .
Линейный код 4B3T использует три 3-ичных модулированных бита для передачи четырех бит данных со скоростью 1,33 бита на бод.
Модуляция несущей увеличивает диапазон частот или полосу пропускания , которую она занимает. Каналы передачи, как правило, ограничены в полосе пропускания, которую они могут переносить. Полоса пропускания зависит от скорости символов (модуляции) (не напрямую от скорости передачи битов ). Поскольку скорость передачи битов является произведением скорости символов и количества битов, закодированных в каждом символе, очевидно, выгодно увеличить последнее, если первое фиксировано. Однако для каждого дополнительного бита, закодированного в символе, созвездие символов (количество состояний несущей) удваивается в размере. Это делает состояния менее различимыми друг от друга, что, в свою очередь, затрудняет для приемника правильное обнаружение символа при наличии помех на канале.
История модемов — это попытка увеличить битрейт в пределах фиксированной полосы пропускания (и, следовательно, фиксированной максимальной скорости передачи символов), что привело к увеличению числа бит 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 расширенного спектра идет в противоположном направлении, приводя к все меньшему и меньшему количеству бит данных на символ для расширения полосы пропускания. В случае GPS у нас есть скорость передачи данных 50 бит/с и скорость символов 1,023 Мчипов/с. Если каждый чип считать символом, каждый символ содержит гораздо меньше одного бита (50 бит/с / 1,023 ксимволов/с ≈ 0,000,05 бит/символ).
Полный набор из M возможных символов по определенному каналу называется M-арной схемой модуляции . Большинство схем модуляции передают некоторое целое число бит на символ b , требуя, чтобы полный набор содержал M = 2 b различных символов. Большинство популярных схем модуляции можно описать, показав каждую точку на диаграмме созвездия , хотя несколько схем модуляции (такие как MFSK , DTMF , импульсно-позиционная модуляция , модуляция с расширенным спектром ) требуют другого описания.
В телекоммуникациях , касающихся модуляции несущей , существенным условием является один из параметров сигнала , выбранный для представления информации . [3]
Значимым условием может быть электрический ток (напряжение или уровень мощности ), уровень оптической мощности, значение фазы или определенная частота или длина волны . Длительность значимого условия — это временной интервал между последовательными значимыми моментами. [3] Изменение от одного значимого условия к другому называется переходом сигнала . Информация может передаваться либо в течение заданного временного интервала, либо кодироваться как наличие или отсутствие изменения в полученном сигнале. [4]
Значимые условия распознаются соответствующим устройством, называемым приемником, демодулятором или декодером. Декодер преобразует фактически полученный сигнал в его предполагаемое логическое значение, такое как двоичная цифра (0 или 1), буквенный символ, метка или пробел. Каждый значимый момент определяется, когда соответствующее устройство принимает условие или состояние, пригодное для выполнения определенной функции, такой как запись, обработка или стробирование . [3]
{{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )