डिजिटल वायरलेस संचार के बुनियादी सिद्धांत। शैक्षिक कार्यक्रम

सभी को नमस्कार। इस लेख में, मैं उदाहरण के रूप में IEEE 802.11 मानक का उपयोग करते हुए - आधुनिक डिजिटल वायरलेस संचार की बुनियादी तकनीकों और विचारों के बारे में थोड़ी बात करना चाहूंगा। आजकल, बहुत बार लोग अमूर्तता के उच्च स्तर पर रहते हैं, बुरी तरह से कल्पना करते हैं कि हमारे आसपास की चीजें कैसे काम करती हैं। खैर, मैं प्रबुद्धता के प्रकाश को जन-जन तक पहुँचाने का प्रयास करूँगा। लेख इस लेख में बताई गई बातों और शब्दावली का उपयोग करेगा। इसलिए रेडियो से दूर लोगों को पहले इसे पढ़ने की सलाह दी जाती है।
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डिजिटल सिग्नल और स्पेक्ट्रा

अनुरूप संकेत

कंप्यूटर के विकास से पहले - आमतौर पर एनालॉग संकेतों को रेडियो तरंगों के माध्यम से प्रेषित किया जाता था - अर्थात, सिग्नल जिनके कई मूल्य निरंतर हैं ।


उदाहरण के लिए - ध्वनि - समय पर दबाव की निर्भरता। रिसीवर से प्राप्त सिग्नल (वोल्टेज) ऑडियो आवृत्ति एम्पलीफायर को खिलाया जाता है और स्पीकर को वाइब्रेट करता है।


या किनेस्कोप के लिए एक वीडियो संकेत । सिग्नल स्तर बीम की स्क्रीन पर चल रही शक्ति का मूल्य निर्धारित करता है, जो समय के सही क्षणों में फॉस्फर को रोशन करता है, जिससे स्क्रीन पर एक छवि बनती है


सूचना प्रसारित करने की इस पद्धति का मुख्य नुकसान कम शोर उन्मुक्ति है - संचरण माध्यम हमेशा हमारे संकेत में कुछ यादृच्छिक घटक का परिचय देता है - वीडियो सिग्नल के आकार में बदलाव से व्यक्तिगत पिक्सेल के रंग बदल जाते हैं (हम सभी रेडियो के शोर को याद करते हैं और टीवी स्क्रीन पर रस्सियों को याद करते हैं)।

डिजिटल सिग्नल

डिजिटल सिग्नल - अर्थात, मानों का असतत सेट होने वाले सिग्नल - इस पैरामीटर में एनालॉग लोगों की तुलना में काफी बेहतर हैं, क्योंकि हम सीधे सिग्नल मूल्य में रुचि नहीं रखते हैं, लेकिन उस सीमा में जिसमें यह मूल्य स्थित है और हम हस्तक्षेप से डरते नहीं हैं (उदाहरण के लिए, वोल्टेज रेंज 0V - 1.6V में हम हम मानते हैं कि यह लॉग 0 है, और 3.3V - 5V लॉग 1) की सीमा में है। इसके लिए पेबैक सूचना के प्रसारण और प्रसंस्करण की आवश्यक गति में वृद्धि है।

पहली चीज जो लोगों ने सीखी है, वह है कि तार द्वारा ऐसे संकेतों को स्वाभाविक रूप से संचारित करना, बस डेटा लाइन की स्थिति को स्विच करके और एक से शून्य तक सिंक्रनाइज़ेशन।
इस पर, एक छोटा शैक्षिक कार्यक्रम खत्म हो गया है - हम इसके बारे में अधिक बात करेंगे - लेकिन रेडियो तरंगों का उपयोग करके डिजिटल सिग्नल कैसे प्रसारित किया जाता है। वाईफाई कैसे काम करता है?

सिंगल पल्स स्पेक्ट्रम

रेडियो संचार में, हम अक्सर एक सिग्नल के स्पेक्ट्रम में रुचि रखते हैं - एक डिजिटल सिग्नल - आयताकार दालों का एक क्रम - के साथ शुरू करने के लिए, एक आयताकार पल्स के स्पेक्ट्रम पर विचार करें।
याद रखें कि स्पेक्ट्रम क्या है (अभिन्न के छोड़े जाने से पहले गुणांक):

अवधि टी और आयाम ए के आयताकार नाड़ी का स्पेक्ट्रम:




ताक - नकारात्मक आयाम के बारे में क्या? याद रखें कि वास्तविक संख्या में स्पेक्ट्रम शून्य चरणों के साथ साइन और कोजाइन के योग में विघटित हो जाता है -



इस रूप में, यह वास्तव में कंप्यूटर में इसका प्रतिनिधित्व करने के लिए अधिक सुविधाजनक है, लेकिन विश्लेषण के लिए यह फ़ॉर्म पूरी तरह से असुविधाजनक है - जब समय डोमेन में सिग्नल बदलता है, तो स्पेक्ट्रा किसी व्यक्ति के लिए पूरी तरह से समझ में नहीं आएगा, इसलिए साइन घटकों और कोसाइन घटकों के दो स्पेक्ट्रा ध्रुवीय निर्देशांक, तह जोड़े में परिवर्तित हो जाते हैं। एक शून्य चरण के साथ साइन और कोसाइन एक गैर-शून्य चरण के साथ साइन में, आयाम स्पेक्ट्रम और चरण प्राप्त करना, और अब याद रखें कि सिग्नल को -1 से गुणा करना 180 डिग्री के चरण कूद के बराबर है, इसलिए, नकारात्मक मुख्य भाग क्षैतिज अक्ष के सापेक्ष परिलक्षित होगा, और विभक्ति बिंदुओं पर चरण 180 डिग्री की छलांग का अनुभव करेगा।

हम यह भी देखते हैं कि एक एकल पल्स का स्पेक्ट्रम एक सिन्स फ़ंक्शन है , जो अक्सर डिजिटल सिग्नल प्रोसेसिंग और रेडियो इंजीनियरिंग में पाया जाता है।

लगभग सभी पल्स ऊर्जा स्पेक्ट्रम के केंद्रीय शिखर में निहित है - इसकी चौड़ाई नाड़ी अवधि के विपरीत आनुपातिक है। और ऊँचाई सीधे आनुपातिक है - अर्थात, नाड़ी - संकरी और ऊँची उसकी वर्णमाला, और छोटी - कम और व्यापक।
वर्णक्रमीय बैंड में हार्मोनिक्स के एक सेट के रूप में, पल्स अनुक्रम के स्पेक्ट्रम को अच्छी सटीकता के साथ माना जा सकता है, जिसकी चौड़ाई नाड़ी अवधि टी के व्युत्क्रमानुपाती होती है।

तो, निष्कर्ष यह है कि हमारे डिजिटल सिग्नल की नाड़ी की लंबाई कम करने से हम स्पेक्ट्रम के एक विस्तृत बैंड पर सिग्नल को धब्बा कर सकते हैं - एक ही समय में, इसकी ऊंचाई आनुपातिक रूप से कम हो जाती है - बैंड एन बार में वृद्धि के साथ - स्पेक्ट्रम की ऊंचाई शोर स्तर तक कम हो जाएगी। ब्रॉडबैंड ट्रांसमिशन के कुछ फायदे हैं - उनमें से एक संकीर्णता हस्तक्षेप का प्रतिरोध है - चूंकि सूचना स्पेक्ट्रम पर फैली हुई है - संकीर्णता हस्तक्षेप इस जानकारी का केवल एक छोटा सा हिस्सा खराब करता है।

यदि हम अपनी सूचना संकेत की दालों की लंबाई को बेवकूफी से कम करते हैं, तो स्पेक्ट्रम, निश्चित रूप से विस्तार करेगा, लेकिन रिसीवर को पता नहीं है कि हम किस सूचना को प्रसारित कर रहे हैं और इसे शोर से अलग नहीं कर पाएंगे। इसलिए, एक विधि की आवश्यकता है - एक ब्रॉडबैंड सिग्नल के लिए एक नैरोबैंड सिग्नल को बदलने के लिए - जैसे कि एक रेडियो चैनल पर प्रसारण के लिए, और रिसेप्शन के बाद एक नैरोबैंड एक में बदलने के लिए - आपको सिग्नल में अनावश्यक जानकारी जोड़ने की आवश्यकता है, अर्थात, रिसीवर और ट्रांसमीटर दोनों के लिए जानी जाने वाली जानकारी, जिसके साथ रिसीवर शोर से सिग्नल को अलग कर सकता है। । हम एक क्रम में रिसीवर और ट्रांसमीटर दोनों के लिए जानी जाने वाली हर बिट को सांकेतिक शब्दों में बदलते हैं।

स्वतः संस्कार समारोह। बार्कर कोड्स

हमारा कार्य इनपुट डेटा के लंबे अनुक्रम में एक ज्ञात लघु अनुक्रम खोजना है।
स्वतःसंक्रमण एक ही श्रृंखला से यादृच्छिक चर के बीच एक सांख्यिकीय संबंध है, लेकिन एक बदलाव के साथ लिया जाता है।
इस पैरामीटर का स्थान में विशेष महत्व है - यहां हमने कुछ प्रकार के सिग्नल उत्पन्न किए और समय दर्ज किया - हम सिग्नल प्रसार की गति को जानते हैं, इसलिए समय को जानने के लिए बाधा से बचने के लिए सिग्नल लिया गया और इसके विपरीत - हम बाधा के लिए दूरी की गणना कर सकते हैं। लेकिन यह दुर्भाग्य है - जीवन में कोई आदर्श स्थितियां नहीं हैं - एक नियम के रूप में, चारों ओर बहुत शोर है और प्रतिबिंबित संकेत के साथ, कोई भी कचरा रिसीवर इनपुट में प्रवेश करता है। और सबसे पहले, हमें अपने संकेत को किसी और चीज के साथ भ्रमित नहीं करना चाहिए, और दूसरी बात, यह उस समय को सही ढंग से निर्धारित करने के लिए पर्याप्त है जब हम वापस आए।

गणितीय रूप से, निरंकुशता को इस प्रकार परिभाषित किया गया है:

यही है, हम फ़ंक्शन को स्वयं पर थोपते हैं, लेकिन एक बदलाव के साथ, हम अभिन्न गुणा और गणना करते हैं, बिंदु को चिह्नित करते हैं, फिर फिर से शिफ्ट करते हैं, फिर से अभिन्न की गणना करते हैं, और इसी तरह सभी संभव बदलावों के लिए। यदि हम फ़ंक्शन को स्वयं के लिए नहीं, बल्कि कुछ अन्य पर लागू करते हैं, तो इसे बस सहसंबंध कहा जाता है ।
नीचे दी गई तस्वीर दृढ़ संकल्प , सहसंबंध और स्वायत्तता संचालन को दर्शाती है।
कनवल्शन और सहसंबंध के बीच का अंतर - दिशा में - फ़ंक्शंस की x (x) और g (x) - एक ही सह-संबंध है, केवल फ़ंक्शंस f (x) और g (-x), ऑटोकैरेलेशन स्वयं के साथ फंक्शन का सहसंबंध है

यही है, उस समय जब इनपुट सिग्नल हमारे द्वारा आवश्यक फ़ंक्शन के समान होता है, सहसंबंध फ़ंक्शन का शिखर होगा। इस शिखर की चौड़ाई, यदि शोर को ध्यान में नहीं रखा जाता है, तो जांच नाड़ी की लंबाई के दोगुने के बराबर होगी और केंद्रीय शिखर के संबंध में सममित होगी - भले ही जांच के तहत संकेत सममित न हो। वैसे - कई चोटियां हो सकती हैं - केंद्रीय शिखर और तथाकथित साइड लॉब्स - फ़ंक्शन पर निर्भर करता है। सहसंबंध विधि सफेद शोर की पृष्ठभूमि के खिलाफ एक ज्ञात आकार के संकेत को निर्धारित करने के लिए सबसे इष्टतम तरीका है - दूसरे शब्दों में, विधि में शोर अनुपात का सबसे अच्छा संकेत है। जांच पल्स को निम्न आवश्यकताओं को पूरा करना चाहिए - सबसे संकीर्ण केंद्रीय शिखर और एक ही समय में साइड लॉब्स का न्यूनतम स्तर होना, अर्थात, फ़ंक्शन केवल बहुत ही कम समय अंतराल में ही होता है - थोड़ा बदलाव और यह पूरी तरह से अलग हो जाता है। स्थान में, चिरप सिग्नल इन आवश्यकताओं को संतुष्ट करता है।
साइड लॉब्स का न्यूनतम स्तर होने से, चिर सिग्नल के ऑटोकॉरेलेशन फ़ंक्शन का निम्न रूप होता है:

असतत प्रणालियों में चिर सिग्नल का एक एनालॉग बार्कर अनुक्रम है
उदाहरण के लिए, लंबाई में 11 बिट्स का एक ज्ञात अनुक्रम: 11100010010।
हम इस क्रम के स्वतःसंक्रमण कार्य को खोजते हैं, इसे साइक्लिकली शिफ्ट करते हैं और युग्मक उत्पादों का योग गिनाते हैं, जबकि 0 से -1 की जगह
11100010010
11100010010
11
11100010010
01110001001
-1
11100010010
10111000100
-1
11100010010
01011100010
-1
11100010010
00101110001
-1
11100010010
10010111000
-1
...
और इसी तरह - सामान्य तौर पर, ऑटोकरेलेशन फंक्शन का केवल 11 का मान होता है पूरे संयोग के साथ, अन्य सभी मामलों में - -1।
अनुक्रम उलटा के लिए यही सच है, अर्थात्, 00011101101 के लिए। प्लस, प्रत्यक्ष और उलटा क्रम कमजोर रूप से एक-दूसरे के साथ सहसंबंधी है - हम उन्हें भ्रमित नहीं करेंगे।
यह पता चलता है कि हम बार्कर अनुक्रम के 11 बिट्स के साथ प्रत्येक जानकारी को एन्कोड कर सकते हैं - इकाइयों के लिए प्रत्यक्ष और शून्य के लिए उलटा। एक बार्कर अनुक्रम के तत्वों को चिप्स कहा जाता है। व्यवहार में, कोडिंग इस तरह होती है:

रिसीवर बस बार्कर अनुक्रमों (प्रत्यक्ष और व्युत्क्रम) और इनपुट सिग्नल के सहसंबंध को पढ़ सकता है और सहसंबंध समारोह की चोटियों को निर्धारित कर सकता है - जहां शून्य इनपुट संकेत में एन्कोड किए गए हैं, और जहां शून्य हैं

मॉडुलन

सामान्य तौर पर - एक संकीर्ण सूचना संकेत कैसे बनाया जाए - ब्रॉडबैंड शोर की तरह, और फिर इसे पुनर्स्थापित करें - यह पता लगा। अब माध्यम से डेटा संचारित करने के तरीकों के बारे में थोड़ी बात करते हैं - माध्यम वैक्यूम, वायु, फाइबर, तार, आदि हो सकते हैं। रेडियो तरंगों का उपयोग करके एक संकेत प्रसारित करने के लिए, हमें एक वाहक आवृत्ति की आवश्यकता होती है, इसे संशोधित करते हुए - हम अपनी जानकारी वाहक पर डालते हैं। 3 मुख्य प्रकार के मॉड्यूलेशन हैं - आयाम, आवृत्ति और चरण।
आप स्विच करने के लिए ट्रांसमिशन के लिए तैयार हमारे सिग्नल को भेज सकते हैं और वाहक ट्रांसमिशन को चालू और बंद कर सकते हैं - जिससे आयाम को संशोधित किया जा सकता है

इस लेख में आयाम मॉड्यूलेशन के फायदे और नुकसान पर विचार किया गया था , इसलिए हम इस पर यहां विस्तार से ध्यान नहीं देंगे - वर्तमान में, आयाम मॉड्यूलेशन का उपयोग लगभग कभी नहीं किया जाता है।

अगले प्रकार का मॉड्यूलेशन आवृत्ति है , जब डेटा सिग्नल वाहक आवृत्ति को नियंत्रित करता है - या तो सीधे (VCO) या दो अलग-अलग जनरेटर के बीच स्विच करना (यह एक चरण कूद का कारण बनता है)

यहाँ भी, कहने के लिए कुछ है, लेकिन किसी तरह एक और समय - अन्यथा लेख बहुत बड़ा हो जाएगा।

चरण मॉडुलन

यह अनुमान लगाना आसान है कि यहां हम सिग्नल के चरण में जानकारी एन्कोडिंग कर रहे हैं - उदाहरण के लिए, शून्य एक शून्य चरण शिफ्ट से मेल खाती है, और एक यूनिट 180 डिग्री शिफ्ट करने के लिए - यह एन्कोडिंग विधि तकनीकी रूप से आसानी से लागू होती है - उदाहरण के लिए, एक सिग्नल को 1 से गुणा करना हमारे पास एक शून्य चरण शिफ्ट है, और गुणा करके - 1 - 180 डिग्री से पाली। इस मॉड्यूलेशन को बाइनरी फेज शिफ्ट की या बीपीएसके कहा जाता है।

लेकिन क्या होगा अगर हम और अधिक बदलाव करना चाहते हैं? सबसे पहले, मैं उन अभियंताओं के तर्क को समझाऊंगा जो निम्नलिखित नृत्यों के साथ आए थे - आप केवल 2 नियंत्रण संकेतों - 1 और -1 हैं और उनकी मदद से आपको सरल तरीके से चरण शिफ्टों की एक मनमानी संख्या को एनकोड करना होगा - आप निश्चित रूप से कुछ प्रकार के सुपर डीएसी डाल सकते हैं और उत्पन्न आवृत्ति को सीधे नियंत्रित कर सकते हैं। लेकिन गणित हमें कुछ बेहतर प्रदान करता है। अर्थात्, यह सूत्र:



वैसे - इसके आधार पर हमने साइनसोइड और कोसाइन के स्पेक्ट्रा से शून्य चरणों के साथ साइनसोइड्स के स्पेक्ट्रम को नॉनज़रो चरणों और चरण स्पेक्ट्रम के साथ संक्रमण बना दिया - अब हम केवल उलटा परिवर्तन करते हैं।

यह Quadrature Modulation पर आधारित है



- वाहक के साथ मिलकर, हम एक और संकेत उत्पन्न करते हैं जो वाहक के सापेक्ष 90 डिग्री तक स्थानांतरित हो जाता है, अर्थात इसके साथ चुकता होता है । अब - प्रत्येक संकेत के आयाम को नियंत्रित करके (चरण और चतुष्कोण में) - 1 या -1 से गुणा करना, और फिर जोड़ना - हम पहले से ही 4 संभव चरण पारियों को प्राप्त कर सकते हैं।

अब एक बार में हम 2 बिट्स को एनकोड कर सकते हैं। यानी ट्रांसमिशन रेट दोगुना हो जाता है। लेकिन एक त्रुटि की संभावना भी अनिवार्य रूप से बढ़ेगी।


इसी तरह, बड़ी संख्या में चरण पारियों को प्राप्त किया जा सकता है। संभावित सिग्नल स्टेट्स को आमतौर पर वेक्टर आरेख या सिग्नल नक्षत्र के विमान पर दिखाया जाता है

कृपया ध्यान दें कि आरेख में द्विआधारी शब्दों का अनुक्रम एक ग्रे कोड है , जो त्रुटि की संभावना को कम करता है। इसके अलावा - वहाँ 45 डिग्री की एक अतिरिक्त पारी है - यह 180 डिग्री से चरण के दौरान सहज आयाम मॉड्यूलेशन को कम करने के लिए किया जाता है।

व्यवहार में, सिंक्रोनस ट्रांसमिशन विधि का उपयोग नहीं किया जाता है - क्योंकि किसी प्रकार के प्रारंभिक चरण के लिए एक बंधन है, और समय के साथ एक त्रुटि जमा होती है और चरण दूर हो जाता है, आपको लगातार प्रारंभिक चरण को रीसेट करने की आवश्यकता होती है - रिसीवर और ट्रांसमीटर को सिंक्रनाइज़ करें। इसलिए, वास्तविक प्रणालियों में सूचना का वाहक एक चरण नहीं है, लेकिन एक चरण परिवर्तन है - एक अंतर सिग्नल ट्रांसमिशन विधि सिंक्रनाइज़ेशन को समाप्त करती है। उदाहरण के लिए, हर बार शून्य दिखाई देता है, चरण 180 डिग्री कूद (BPSK) बनाता है।

फिर हम कार्यान्वयन की पेचीदगियों के बारे में बात करना शुरू कर सकते हैं - हमेशा की तरह - व्यवहार में, सब कुछ सिद्धांत की तुलना में अधिक जटिल हो जाता है, यह लेख किसी के क्षितिज को व्यापक बनाने के लिए एक छोटा शैक्षिक कार्यक्रम है।