Підвищення доступності інформаційних об'єктів в інформаційних мережах при використанні багаторівневої частотної модуляції

Доступність – властивість ресурсу системи (інформації), яка полягає в тому, що користувач і/або процес, який має відповідні повноваження, може використовувати ресурс, не очікуючи довше заданого (малого) проміжку часу, тобто коли він знаходиться у вигляді, необхідному користувачеві, в місці, необхідному користувачеві, і в той час, коли він йому необхідний. Іншими словами, доступність – це гарантія отримання необхідної інформації або інформаційної послуги користувачем за певний час. Отже, для забезпечення доступності інформація повинна передаватися чи надаватися із відповідною швидкістю.

На сьогоднішній день проблема підвищення доступності інформаційних об’єктів в інформаційних мережах є дуже актуальною. Часто для вирішення цієї проблеми застосовують складні види модуляції. В статті буде розглянуто підвищення доступності інформаційних об’єктів в інформаційних мережах при використанні частотної модуляції.

Модуляція – це перенос спектру корисного сигналу в область більш високих частот без нелінійних, частотних, чи фазових спотворень.

Аналогова модуляція є таким способом фізичного кодування, при якому інформація кодується зміною амплітуди, фази чи частоти синусоїдального сигналу несучої частоти. Основні способи аналогової модуляції показані на рис. 1. На діаграмі (рис. 1, а) показана послідовність бітів вихідної інформації, подана потенціалами високого рівня для логічної одиниці і потенціалом нульового рівня для логічного нуля. Такий спосіб кодування називається потенційним кодом, що часто використовується при передачі даних між блоками комп'ютера.

При амплітудній модуляції (рис. 1, б) для логічної одиниці вибирається один рівень амплітуди синусоїди несучої частоти, а для логічного нуля – інший. Цей спосіб рідко використовується в чистому вигляді на практиці через низку завадостійкість, але часто застосовується в поєднанні з іншим видом модуляції – фазовою модуляцією.

При частотній модуляції (рис. 1, в) значення 0 і 1 вихідних даних передаються синусоїдами з різною частотою – і . Цей спосіб модуляції не потребує складних схем у модемах і звичайно застосовується в низькошвидкісних модемах, що працюють на швидкостях 300 чи 1200 біт/с.

Рис. 1. Різні види модуляції

При фазовій модуляції (рис. 1, г) значенням даних 0 і 1 відповідають сигнали однакової частоти, але з різною фазою, наприклад 0 і 180 градусів чи 0, 90, 180 і 270 градусів.

Надалі розглянемо більш детально частотну модуляцію. При частотній модуляції миттєва (локальна) частота f(t) сигналу-переносника із амплітудою А і частотою змінюється відповідно до інформаційного сигналу s(t), а саме:

Рис. 2. ЧМн – частотна маніпуляція

Спектр S_ЧМн(w) частотно-маніпульованого сигналу є суперпозиція спектрів S₁(w) і S₂(w). Звернемо увагу на те, що ширина спектру такого сигналу, як і при АМ, визначається шириною спектру дискретного однорівневого сигналу, що модулює, і становить (рис. 3):

ΔF_ЧМ= 1/τ_с = В,

отже і швидкість передачі інформації при збереженні попередніх умов щодо тривалості періоду сигналу Т → τ становить . Отже, при дворівневій ЧМ швидкість передачі інформації дорівнює швидкості передавання відповідних інформаційних символів.

Багаторівнева частотна модуляція чи модуляція з декількома (М) несучими, відноситься до методів переходу від послідовної передачі до паралельної. Цей метод модуляції називається також ортогональним частотним розділенням каналів – ОЧРК (OFDM – Orthogonal Frequency Division Multiplexing).

При використанні багаторівневої (М – рівневої) ЧМ вихідна двійкова послідовність розбивається на відповідне число біт – на узагальнені символи (дібіти, трибіти і т.д.) для визначення однієї з М можливих частот несучої, що передаються в даний момент. На практиці знаходить застосування двійкова (М = 2) (рис. 3), а також 4-х (М = 4), 8 − рівнева (М = 8) і більш рівневі ЧМ.

При цьому частотна смуга, займана системою передачі даних, розбивається на піддіапазони, і утворюються вузькосмугові канали (частотні дискрети) з шириною смуги кожна. Наприклад, смуга f_к= 1,0994 Мгц (рис. 3) розбивається на М = 255 підканалів по = 4,3125 КГц.

Рис. 3Приклад багаторівневої (М – рівневої) частотної маніпуляції

На рис. 3: – шириною смуги піддіапазону; f_к - ширина смуги частот, відведена даному каналу; f_зах - захисний проміжок між сигналами сусідніх підканалів (частотних дискрет).

Технології реалізації багаторівневих ЧМ можуть бути різними.

На рис. 4 показано варіант для випадку передачі дибітами (М = 4) – це 4 піддіапазони із частотами f₀₀, f₀₁, f₁₀ та f₁₁, коли кожен із можливих узагальнених символів передається у своєму піддіапазоні (на своїй частоті). При цьому можливим є передавання за інтервал, що дорівнює тривалості сигналу τ_с, одночасно уже не одного інформаційного, а узагальненого символу із інформаційних. За рахунок цього швидкість передавання інформаційних символів збільшилася в m разів: В = m/τ_с.

Рис.4Приклад чотирирівневої (М = 4) частотної маніпуляції при передачі кожного із дибітів у своєму піддіапазоні: 00 (а), 01 (б), 10 (в), 11 (г)

Зрозуміло, що для при цьому потрібно використання більшої кількості () піддіапазонів частот, а отже, – потрібна більш широка загальна смуга пропускання каналу.

У такому варіанті при одночасному передаванні двох символів чи чотирьох значень сигналу М = 2² = 4 потрібно мати 4 піддіапазони частот, = 2, В = m/τ_с = 2/τ_с. Отже, швидкість передачі збільшилася у двічі, а потрібна смуга частот – у четверо, що є не досить ефективним.

Більш ефективним є передача на кожній із таких частот одного інформаційного біта: тоді 4 піддіапазони частот використовуються для одночасного передавання чотирьох символів, що відповідає 16 значенням сигналу М = 2⁴ = 16 . Тоді: = 4, В = m/τ_с = 4/τ_с. Отже, і швидкість передачі збільшилася у четверо, и потрібна смуга частот – у четверо, що є досить ефективним.

Таким чином, можна зробити висновок, що багаторівнева частотна модуляція окрім вирішення задач переносу сигналів в інші частотні діапазони, може вирішувати задачі підвищення швидкості передавання, а разом з цим і підвищує доступність інформаційних об’єктів. Адже, зі збільшенням рівнів частотної модуляції зменшується відстань між символами, таким чином падає завадостійкість коду і інформація стає більш доступною.

1. Василенко В.С. Теорія інформації та кодування./ В.С. Василенко // Курс лекцій з дисципліни «Теорія інформації та кодування», К.: НАУ. – 2011. – 93 с.

2. Web- ресурс http://rusnauka.com/26_NII_2009/Informatica/52222.doc.htm

3. Юдін О.К. Основи теорії електричних кіл, сигнали та процеси в електроніці./ О.К. Юдін // Курс лекцій з дисципліни «Основи теорії електричних кіл, сигнали та процеси в електроніці», К.: НАУ. – 2010. – 243 с.