andrey

Путь к Файлу: /Организация ЭВМ / Дополнительно / 2 - Схемотехника.doc

Ознакомиться или скачать весь учебный материал данного пользователя
Скачиваний:   0
Пользователь:   andrey
Добавлен:   13.01.2015
Размер:   326.5 КБ
СКАЧАТЬ

 «Элементы схемотехники»

 

1. Представление сигналов. [3,4]

Для того чтобы установить соответствие между величиной напряжения и логическими значениями, или состояниями, в электронике используют концепцию порога (threshold). Напряжение, превышающее заданный порог, представляет одно значение, а напряжение, которое ниже этого порога, - совсем другое значение. На практике напряжение в любой точке электронной схемы подвержено небольшим случайным колебаниям, зависящим от множества причин. Из-за этого “шума” значения вблизи порога нельзя с уверенностью соотнести с конкретными логическими состояниями. Поэтому для некоторых схем устанавливают некоторый “запрещённый диапазон” (см. Рис.1).

2 - Схемотехника

Рис.1

 

На Рис.1 напряжение ниже V[0] max – напряжение логического “0”, а напряжение выше V[1] min – достоверный уровень логической “1”.

Для достоверности передачи информации важно чтобы сигнал не находился в “запрещённой зоне” (от уровня V[0]max до V[1]min) длительный промежуток времени. V[порог] – пороговый уровень, неопределённый.

 

2. Транзисторный элемент НЕ (инвертор) [2,3,4]

Операция “НЕ” может быть реализована транзисторным ключевым элементом, представленным на Рис.2.

2 - Схемотехника

Рис.2

Эквивалентные схемы элемента “НЕ”, собранные на гальваническом ключе, поясняющие работу инвертора на транзисторе приведены на Рис.2 справа. Здесь разомкнутый ключ - эквивалент состояния “закрытого” перехода транзистора, вследствие чего на выходе элемента возникает напряжение близкое к напряжению VCC (напряжение питания).

В случае с замкнутым ключом выход OUT коммутируется с “землёй” (GND) – эквивалент транзистора с открытым переходом “коллектор–эмиттер”. Пренебрегая сопротивлением открытого перехода, на выходе OUT возникает низкий уровень напряжения, что соответствует логическому “0”.

Аналогично с выше описанным в схеме с “транзисторным НЕ” роль гальванического ключа выполняет транзистор.

При низком уровне напряжения на входе IN, соответствующего логическому “0”, транзистор закрыт, на его выходе устанавливается напряжения высокого уровня, стремящиеся по значению к напряжению VCC (напряжение питания).

При высоком уровне входного напряжения (логическая “1”) транзистор насыщен, и переход коллектор-эмиттер открыт. Протекающий через этот переход ток обеспечивает низкий уровень напряжение на выходе OUT (уровень логического “0”). Что фактически эквивалентно коммутации выхода OUT с линией GND (земля). Это достигается за счет того, что сопротивление открытого перехода на порядок меньше сопротивления RK – резистора, играющего роль элемента, ограничивающего ток коллектора.

Временная диаграмма работы элемента “НЕ” и УГО инвертора показаны на Рис.3:

2 - Схемотехника

Рис.3

3. Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ) [2,3,4]

Логический элемент ТТЛ приведён на Рис.4. Элемент состоит из двух последовательно включённых функциональных частей: схемы, выполняющей операцию “И”, и схемы инвертора, выполняющего операцию “НЕ”. Особенность элемента ТТЛ состоит в том, что в обеих его частях применены транзисторы (отсюда и название логики). Для реализации операции “И” используется многоэмиттерный транзистор VT1.

2 - Схемотехника

Рис.4

Пусть на все входы элемента (X1,X2,..,Xn) подано напряжения логической “1” (не ниже ~3,2 В). В этом случае многоэмиттерный транзистор VT1 открывается и находится в инверсном режиме работы (открыт коллекторный переход и закрыт эмиттерный). Ток протекает с базы через коллектор транзистора VT1 и проходит через эмиттерный переход транзистора VT2. Потенциал, установившийся на базе транзистора VT2 соответствует уровню ~0.8V, чего достаточно для открытия перехода транзистора (См. Рис.4а).

2 - Схемотехника

Рис.4а

 

Втекающий в базу транзистора VT2 ток удерживает транзистор в открытом состоянии. В результате на выходе элемента создаётся близкое к нулю напряжение (~0.4V), т.к. практически всё напряжение питания VCC (+5V) падает на резисторе RK. Это напряжения по уровню соответствует логическому “0”.

Рассмотрим другой режим работы схемы (Рис.4б).

2 - Схемотехника

Рис.4б

Пусть хотя бы на одном из входов действует напряжение уровня логического “0”. Потенциал базы многоэмиттерного транзистора VT1 выше потенциала его эмиттера и коллектора. Следовательно, оба перехода, эмиттерный и коллекторный, смещены в прямом направлении. Т.е. транзистор VT1 находится в режиме насыщения. Весь базовый ток замыкается через эмиттерные переходы транзистора VT1. А напряжение близкое к нулю (~0.4V), действующее на эмиттерах транзистора VT1 передаётся на базу транзистора VT2. Этот транзистор закрыт и на его коллекторе поддерживается напряжение близкое к напряжению VCC, что соответствует уровню логической “1”.

Повышение нагрузочной способности элемента. Улучшения этого параметра достигается применением усложненной схемы инверторной части. Схема элемента с одним из вариантов сложного инвертора приведена на Рис.5.

2 - Схемотехника

Рис.5

Выходной каскад элемента основан на комплементарной паре. Основным источником помех являются сквозные токи, протекающие через два транзистора в момент их переключения. Данный элемент может находиться в третьем состоянии только при отключенном питании. Третье состояние (Z) – высокоимпедансное состояние выходов элемента, образованное двумя закрытыми транзисторами выходного каскада.

Пусть на элемент подаётся питание и на всех его входах установлен потенциал уровня логической единицы (см. Рис.5а).

2 - Схемотехника

                Рис.5а                            Рис.5б

Весь текущей через резистор R1 ток подаётся в базу транзистора VT2. Транзистор VT2 открывается и переходит в режим насыщения (т.е два транзисторных перехода открыты и через них протекают токи в прямом смещении). Эмиттерный ток транзистора VT2 втекает в базу транзистора VT5, удерживая этот транзистор в открытом состоянии. Транзисторы VT3 и VT4 закрываются т.к. на эмиттерном переходе каждого из них действует напряжение ~0.3V, что недостаточно для открытия p-n перехода в транзисторе.

На Рис.5б показан режим работы элемента, при поданном логическом нуле хотя бы на один из его входов. Ток резистора R1 полностью переключается во входную цепь. Транзисторы VT2 и VT5 закрыты. Транзисторы VT3 и VT4 работают в двух последовательно включённых эмиттерных повторителях, на вход которых подаётся ток через резистор R2, а эмиттерный ток транзистора VT2 питает нагрузку (выход элемента). На выходе появляется потенциал, соответствующий уровню логической единицы.

Повышение нагрузочной способности включенного элемента (на выходе которого установлена логическая “1”) связано с тем, что выходной транзистор VT5, через который замыкается ток нагрузки, удерживается в открытом состоянии большим базовым током, который обеспечивается эмиттерной цепью транзистора VT2.

Во включенном состоянии элемента (на выходе установлена логическая “1”) с простым инвертором (см. Рис.4б) ток в нагрузку от источника VCC подаётся через коллекторный резистор RK с большим сопротивлением. Этот резистор ограничивает максимальное значение тока в нагрузке (с ростом тока нагрузки увеличивается падение напряжения на RK, уменьшается напряжение на выходе элемента). В элементе со сложным инвертором в нагрузку подаётся ток транзистора VT4, работающего в схеме эмиттерного повторителя. Так как выходное сопротивление повторителя мало, то выходное напряжение элемента меньше зависит от тока в нагрузке и для него допустимы бо’льшие значения нагрузочного тока.

Быстродействие логического элемента и методы его повышения. Быстродействие элемента определяется временем переключения транзистора и временем, необходимым для перезаряда ёмкости нагрузки и паразитных монтажных ёмкостей (СП). Для уменьшения времени переключения транзисторов в элементе необходимо использовать более высокочастотные транзисторы и переключение транзисторов производить бо’льшими управляющими токами в цепи базы. Существенное уменьшение времени переключения транзисторов достигается использованием ненасыщенного режима работы транзисторов (в этом режиме исключается время, необходимое на рассасывание неосновных носителей в базе при выключении транзисторов).

Рассмотрим пути увеличения быстродействия элемента за счёт ускорения перезаряда ёмкости (см. Рис.6).

2 - Схемотехника

Рис.6

Для этого необходимо:

1. Уменьшение сопротивления R (и следовательно уменьшение постоянной времени τ = RC). Однако непосредственное уменьшение сопротивления ведёт к увеличению потребляемого от источника питания тока и мощности. Другой приём уменьшения постоянной времени τ - применение на выходе элемента эмиттерного повторителя, имеющего малое выходное сопротивление (см. Рис.5);

2. Использование в элементах малых перепадов напряжения.

 

4. Логический элемент эмиттерно-связной логики (ЭСЛ) [3].

Типовая схема ЭСЛ элемента ИЛИ-НЕ приведена на рис.7. Транзисторы VT0, VT1, VT2, VT3 – работают в схеме переключателей тока, а VT4, VT5 – выходные повторители. Напряжение питания данного ЭСЛ элемента равно +5V, уровни логического нуля и единицы соответственно равны U0 = 3.5V и U1 = 4.3V. Для открытия любого транзистора необходимо выполнение следующего условия: напряжение между базой и эмиттером (UЭБ) транзистора должно быть не менее 0.7V в прямом включении. Для работы схемы требуется опорное напряжение UОП = 0.5(U1 + U0) = 3.9V.

2 - Схемотехника

Рис.7

 

Когда на все входы элемента (X1, X2, X3) подано напряжение логического нуля (см. Рис.7а) транзисторы VT1, VT2, VT3 закрыты, а на их эмиттерах поддерживается потенциал, появившийся в результате протекания тока через открытый транзистор VT0. Для открытия этих транзисторов необходимо чтобы потенциал базы на 0.7V превышал потенциал эмиттера.

Т.к. транзисторы VT1, VT2, VT3 закрыты, на базе транзистора VT4 скапливается потенциал, которого достаточно для открытия этого транзистора. В результате на инверсном выходе ЭСЛ элемента устанавливается напряжение почти соответствующее VСС, т.е. напряжение логической единицы.

На базе транзистора VT5 скапливается потенциал равный VСС–UR2, которого оказывается недостаточно для открытия этого транзистора. Поэтому на прямом выходе элемента устанавливается потенциал равный потенциалу линии GND (уровень логического нуля).

Рассмотрим случай, когда хотя бы на один из входов элемента подано напряжение, соответствующее уровню логической единице (см. Рис.7б).

2 - Схемотехника

Рис.7а

 

2 - Схемотехника

Рис.7б

 

При появлении на одном из транзисторных входов X1, X2, X3 напряжения логической единицы открывается соответствующий транзистор входной цепи. Всё напряжения падает на элементах R1 и R. В результате прохождения тока по этой ветви (через один или несколько транзисторов VT1, VT2, VT3) на базе транзистора VT4 появляется потенциал, недостаточный для открытия перехода этого транзистора. В результате на инверсном выходе элемента появляется логический нуль.

За счёт появления потенциала в цепи, связывающей эмиттеры транзисторов входного каскада, разность потенциалов UЭБ для транзистора VT0 стала меньше напряжения, требуемого для открытия перехода. Поэтому этот транзистор закрыт. Таким образом, открытое состояние любого из транзисторов VT1, VT2, VT3 приводит к закрытому состоянию транзистора VT0. В результате закрытия VT0 на базе транзистора VT5 устанавливается напряжение достаточное для открытия этого транзистора. В результате на прямом выходе ЭСЛ элемента появляется логическая единица.

В микросхемах ЭСЛ точку А (см. Рис.7) делают общей, а точку В подключают к источнику питания -5V. Рассмотренный логический элемент относится к классу наиболее быстродействующих элементов, однако к его недостаткам можно отнести высокую потребляемую мощность.

Высокое быстродействие (малое время распространения сигнала) обеспечивается следующими факторами:

 Открытые транзисторы находятся в активном режиме (не в режиме насыщения);

 Применение на выходах эмиттерных повторителей обеспечивает ускорение процесса перезарядки ёмкостей, подключенных к выходам;

 Транзисторы включены в цепь по схеме близкой к схеме с общей базой, что улучшает частотные свойства транзисторов и ускоряет процесс их переключения;

 Выбран малый перепад логических уровней, т.е. U1 – U0 = 0.8V (Однако это приводит к сравнительно низкой помехоустойчивости).

 

5. Логический элемент интегрально инжекционной логики.

На рис.8 показана структура элемента интегральной инжекционной логики (И2Л).

2 - Схемотехника

Рис.8

Для создания такой структуры требуется две фазы диффузии в кремний с проводимостью n-типа: в процессе первой фазы образуются области P1 и P2, второй фазы – область N2. Элемент имеет структуру P1-N1-P2-N2. Такую четырёхслойную структуру удобно рассматривать, представив её соединением двух обычных транзисторных структур P1-N1-P2 и N1-P2-N2 (См. Рис.8а).

Транзистор VT2 со структурой N1-P2-N2 выполняет функцию инвертора (может иметь несколько коллекторов). Транзистор VT1, называемый инжектором, имеет структуру типа P1-N1-P2. Так как область N1 y транзисторов общая (См. Рис.8), эмиттер транзистора VT2 должен быть соединён с базой транзистора VT1. Наличие общей области P2 приводит к необходимости соединения базы транзистора VT2 с коллектором транзистора VT1 (См. Рис.8а).

2 - Схемотехника

Рис.8а

 

В цепь эмиттер-база инжектора (транзистор VT1) подаётся напряжение питания UП. Минимальное напряжение источника определяется падением напряжения на эмиттерном переходе, т.е. UП(мин) = UБЭ = 0.7V. Но для стабилизации тока эмиттера последовательно с источником включается резистор R и напряжение источника питания UП = 1-1.2V. При этом эмиттерный переход транзистора VT1 оказывается смещённым в прямом направлении и транзистор открыт. Коллекторный ток этого транзистора, в зависимости от состояния линии входной цепи X1, может либо уходить в землю через вход X1 и транзистор VT0 (не проходя через эмиттерный переход транзистора VT2, см. Рис.8б), либо проходить через эмиттерный переход транзистора VT2 (если транзистор VT0 закрыт, см. Рис.8в). Сам транзистор VT1 (инжектор) является, как бы, источником постоянного напряжения, постоянно подводя потенциал (за счет протекания коллекторного тока) в точку X1, показанную на схеме Рис.8а.

2 - Схемотехника

Рис.8б                             Рис.8г

 

Таким образом, при закрытом VT0 транзистор VT2 открыт и выход элемента как бы коммутируется с линией GND, что приводит к появлению на ней потенциала, соответствующего уровню логического нуля.

При открытом транзисторе VT0 транзистор VT2 закрыт, а на выходе элемента образуется состояние “не знаю” (высокоомное состояние - Z), которое может трактоваться схемами данной логики как логическая единица. Например, на рис.8д показано, что при закрытом состоянии транзистора выходного каскада VT2, и появлении на его коллекторе высокоомного состояния, на базе транзистора VT3 следующего элемента И2Л логики скапливается потенциал, открывающий этот транзистор. Это эквивалентно подключению базы транзистора к линии, на которой установлен уровень логической единицы.

2 - Схемотехника

Рис.8д

 

2 - Схемотехника

Рис.9

 

На рис.9 приведена схема, реализующая операцию ИЛИ-НЕ. Соединение коллекторов элементов соответствует выполнению операции так называемого “монтажного И”. Действительно, если хотя бы один из транзисторов VT2 этих элементов находится в открытом состоянии (состоянии 0), то ток инжектора следующего элемента замыкается через открытый инвертор и на объединённом выходе элементов устанавливается низкий уровень логического нуля.

Для связи элемента И2Л с элементом ТТЛ логики используется следующая схема (Рис.10):

 

2 - Схемотехника

Рис.10

 

 

Достоинства элемента И2Л логики:

 Обеспечивают высокую степень интеграции;

 Используют пониженное напряжение питания (1 – 1.2V);

 Изменение потребляемой мощности элементов изменяет их быстродействие;

 Хорошо согласуется с ТТЛ элементами.

 

6. Логические элементы на МОП-транзисторах. [3,4]

Полевые транзисторы делятся на две большие группы: транзисторы с управляющим p-n переходом и транзисторы с изолированным затвором – МДП-транзисторы, содержащие металл (М), диэлектрик (Д), полупроводник (П). Если диэлектриком является окись кремния, то полевые МДП-транзисторы называют МОП-транзисторами (англ. аббревиатура MOS – Metal Oxide Semiconductor).

На Рис.11 показана схема логического элемента И-НЕ на однотипных МОП-транзисторах с каналом n-типа (n-MOS).

2 - Схемотехника

           Рис.11а                        Рис.11б

 

Основные транзисторы VT1, VT2 включены последовательно, транзистор VT3 выполняет роль нагрузки. В случае, когда на обоих элемента действует высокое напряжение High(H) - напряжение логической единицы, оба транзистора открыты (см. рис.11а) и на выходе устанавливается низкое напряжение Low(L), соответствующее уровню нуля. Во всех остальных случаях (рис.11б) хотя бы один из транзисторов VT1 или VT2 закрыт и на выходе устанавливается H-напряжение. Таким образом, элемент выполняет логическую функцию И-НЕ.

На Рис.12 приведена схема элемента ИЛИ-НЕ. На его выходе устанавливается низкое L-напряжение, если хотя бы на одном из его входов действует уровень логической единицы – H-напряжение, открывающее один из основных транзисторов VT1 или VT2 (см. рис.12а). Если же на всех входах элемента, а, следовательно, на затворах транзисторов, действует напряжение логического нуля, то оба транзистора VT1 и VT2 оказываются закрыты. На выходе элемента устанавливается H-напряжение за счёт тока проходящего через транзистор VT3 от источника питания VСС.

2 - Схемотехника

Рис.12а                         Рис.12б

При использовании обычных МОП технологий элементом потребляется дополнительная мощность за счет того, что в состоянии, при котором открыт хотя бы один основной транзистор, больша’я часть тока с источника питания VСС, проходя через VT3, уходит в землю (см. рис.11а и рис.12а).

У данной проблемы имеется весьма эффективное решение: использовать в одной схеме транзисторы обоих типов, чтобы в устойчивом состоянии не потреблялась лишняя мощность. Эта идея была положена в основу технологии КМОП – построения схем на основе комплементарных (т.е. дополняющих друг друга) металло-окисных полупроводниковых транзисторов (Complementary Metal-Oxide Semiconductor, CMOS).

Суть КМОП-технологии иллюстрирует схема инвертора, приведённая на рис.13. В любой момент времени открыт только один транзистор, поэтому в устойчивых режимах не происходит потерь энергии. Тем не менее, в момент переключения обоих транзисторов возникают кратковременные сквозные токи, протекающие через два транзистора от VСС в землю, которые могут являться основным источником помех в системе.

 

2 - Схемотехника

Рис.13

На Рис.14 приведена схема элемента ИЛИ-НЕ КМОП-технологии. В ней транзисторы VT1 и VT2 – основные с каналом n-типа, VT3 и VT4 – нагрузочные с каналом p-типа. Пусть на одном из входов этого элемента, например на X1 (см. рис.14а) действует высокое H-напряжение. При этом транзистор VT1 открыт, а транзистор VT3 закрыт и независимо от уровня напряжения на другом входе и состояния остальных транзисторов на выходе устанавливается L-напряжение, соответствующее уровню логического нуля. И только тогда, когда состояние всех входов - низкое напряжение (см. рис.14б), оба основных транзистора VT1 и VT2 окажутся закрыты, а транзисторы VT3 VT4 – открыты, на выходе элемента появится уровень логической единицы.

2 - Схемотехника

Рис.14а                          Рис.14б

 

7. Цепи с рассредоточенными параметрами. [1,2]

Цепи, которые рассматриваются в дисциплине “Теоретические Основы Электротехники” относятся к классу цепей с сосредоточенными параметрами. Все магнитные поля в таких цепях сосредоточены в катушках, все электрические поля – в конденсаторах, а все потери – в резисторах.

В цепях с распределёнными параметрами потери, ёмкость и индуктивность распределены в пространстве. Будем рассматривать распределение только вдоль одной пространственной координаты. В этом случае цепи с распределёнными параметрами называют длинными линиями.

Простейшим примером цепи с распределёнными параметрами может служить двухпроводная линия передачи (см. рис.15).

 

2 - Схемотехника

Рис.15

 

При протекании тока по проводам вокруг них возникает магнитное поле 2 - Схемотехника, что свидетельствует о наличии индуктивности, распределённой вдоль длины линии. Между проводами возникает электрическое поле 2 - Схемотехника, что свидетельствует о наличии ёмкости. Провода и диэлектрик между проводами нагреваются, что свидетельствует о наличии распределённых потерь. К цепям с распределёнными параметрами относят коаксиальный провод, электрические линии интерфейсных шин персонального компьютера, телефонную линию и т.п.

Для количественной оценки распределённых параметров используются погонные параметры длинной линии (погонное сопротивление потерь R’[Ом/м], погонная индуктивность L’[Гн/м], погонная ёмкость C’[Ф/м], погонная проводимость изоляции G’[См/м]).

Как правило, численные параметры погонных параметров малы. Поэтому распределённые параметры сказываются только при большой длине линий. На практике эффекты, обусловленные распределёнными параметрами, учитываются только тогда, когда длина линии 2 - Схемотехника сравнима или больше длины волны сигнала 2 - Схемотехника, где c – скорость света, а f – частота.

Т.к. в вычислительных машинах сигналы и информация передаются на довольно высоких частотах, то возникает необходимость учитывать распределённые параметры цепей. Таким образом, согласно теории длинных линий цепь на Рис.15 можно представить в следующем виде (см. рис.16):

2 - Схемотехника

Рис.16

 

Обычно все эти параметры распределённой цепи характеризуют одним обобщённым параметром Z – волновое сопротивление (импеданс), от которого и зависит длительность переходного процесса в цепи, возникающего при изменении передаваемого сигнала.

Основной параметр, вносящий искажение в форму передаваемого сигнала – ёмкость. Наличие ёмкости в линии влияет на то, что уровень сигнала не может измениться скачком (вспоминайте законы коммутации из курса “Теоретические Основы Электротехники”), поэтому для правильного распознавания сигнала требуется удерживать его некоторое время, причём время удержания сигнала должно быть много больше времени его переходного процесса (т.е. времени нарастания или спада).

 

8. Модулирование сигнала. [1,5]

В устройствах связи и в компьютерных сетях широко используется частотный принцип разделения сигналов. В соответствии с этим принципом сигналам отводятся неперекрывающиеся узкие полосы частот из всего диапазона частот, занимаемого системой передачи информации. С помощью узкополосных сигналов легко организовать передачу информации от большого числа источников к большому числу получателей, при этом источники не будут мешать друг другу.

Кроме частотного принципа в связи используется временной принцип разделения сигналов, когда каждому сигналу отводится небольшой промежуток времени из некоторого большого повторяющегося временного интервала, отведённого множеству сообщений.

Чтобы протолкнуть как можно больше информации через узкополосные каналы связи используют модулированные сигнала для передачи сообщений.

Модулированный сигнал – это узкополосный сигнал, параметры которого изменяются пропорционально низкочастотному информационному сигналу. Как правило, модулированный сигнал является высокочастотным колебанием. Для получения модулированного сигнала используют гармонический сигнал, называемый в этом случае несущим колебанием:

2 - Схемотехника

Информация вноситься в несущее колебание с использование модуляции – изменение какого либо из параметров высокочастотного сигнала пропорционально низкочастотному сигналу S(t). Различают три основных вида модуляции.

При амплитудной модуляции (Amplitude Modulation - AM) (см. рис.17) амплитуда сигнала изменяется пропорционально низкочастотному информационному сигналу S(t), т.е.:

2 - Схемотехника

2 - Схемотехника

Рис.17

 

S(t) – низкочастотный информационный сигнал;

YAM(t) – амплитудно-модулированный сигнал;

Y(t) – высокочастотный несущий сигнал, определяющий частоту YAM(t).

 

Фазовая модуляция (Phase Modulation - PM) – вид модуляции колебаний, при которой передаваемый информационный сигнал S(t) управляет фазой несущего высокочастотного колебания Y(t).

2 - Схемотехника

При PM в общем случае происходит изменение мгновенной частоты ω(t):

2 - Схемотехника

Частотная модуляция (Frequency Modulation – FM) – вид модуляции колебаний, при которой передаваемый информационный сигнал S(t) управляет частотой несущего высокочастотного колебания Y(t).

2 - Схемотехника

В результате FM-модуляции несущее колебание Y(t) приобретает следующий вид (см. рис.18):

2 - Схемотехника

Рис.18

Как видим, при частотной модуляции (FM) в общем случае изменяется начальная фаза сигнала. Выше отмечалось, что при PM имеются изменения мгновенной частоты. Поэтому FM и PM – две тесно связанные друг с другом вида модуляции. Так как при модуляции высокочастотный сигнал близок к идеальному гармоническому сигналу, то модулированный сигнал также называют квазигармоническим.

 

8.1 Применение модулированного сигнала.[6]

До появления высокоскоростных протоколов обмена (на 56 кбит/с и более) передача данных между двумя модемами по обычным телефонным каналам связи осуществлялась в аналоговом режиме. Это означало, что цифровые данные, получаемые модемом от компьютера, соответствующим образом кодировались, преобразовывались в аналоговый сигнал и передавались по телефонной линии на другой модем. На приемной стороне аналоговый сигнал преобразовывался, из него выделялись цифровые данные, которые следовали в компьютер для дальнейшей обработки. Собственно, от этого процесса модуляции-демодуляции сигнала и произошло слово "модем".

Основным сдерживающим фактором, препятствующим "бесконечному" увеличению скорости передачи данных с помощью модемов, является качество аналоговых телефонных линий связи. До недавнего времени (буквально до начала 80-х годов) основным назначением телефонных каналов связи была только передача голоса. Поэтому, исходя из соображений стоимости и для борьбы с шумами в линии, полоса пропускания телефонного канала была ограничена диапазоном 300-3500 Гц. Исследования показали, что именно в этом диапазоне частот находится основная часть спектра человеческой речи, поэтому после наложения на исходный сигнал указанных ограничений разборчивость речи не ухудшится.

За более чем 100 лет в телефонии было внедрено множество открытий: одно из них - уплотнение каналов связи, позволяющее по одному физическому каналу передавать множество телефонных переговоров. А чтобы соседние телефонные каналы не влияли друг на друга, для них была выделена жесткая полоса 4 кГц. Именно эта полоса и сдерживает развитие модемной технологии в направлении увеличения скорости передачи данных.

Количество изменений состояния аналогового сигнала в единицу времени в канале связи, происходящее при передаче данных, называют бодом (baud). Иногда еще этой единицей измерения описывают модуляционную скорость канала передачи данных, которая определяется его полосой пропускания. Как уже говорилось выше, полоса пропускания телефонного канала связи не может превышать 3-3,5 кГц. Соответственно, модуляционная скорость таких каналов связи не может превышать 3000-3500 бод. Это означает, что если модуляционную скорость передачи данных, измеряемой в бодах, приравнять к информационной, измеряемой в bps, то максимальная скорость передачи данных по обычной аналоговой телефонной линии не может превышать 3000-3500 bps. Так оно и было на заре развития устройств передачи данных (...вспоминаем модемы на 2400 bps).

Однако теоретический предел информационной скорости передачи данных по аналоговым каналам связи с полосой в 3,5 кГц, вычисленный по одной из теорем Шеннона и приблизительно равный 35 Kbps, не давал разработчикам покоя. Они стали придумывать новые методы модуляции сигнала, благодаря которым удалось поднять информационную скорость передачи данных в 8 раз и довести ее до 19200 bps при скорости манипуляции 2400 бод.

Как такое стало возможным?

Чтобы передать цифровую информацию по аналоговым каналам связи, ее сначала нужно закодировать. Для этого можно использовать амплитудную (АМ), частотную (ЧМ) или фазовую (ФМ) модуляции. Вначале разработчики остановили свой выбор именно на фазовой модуляции, поскольку ее помехоустойчивость оказалась выше других типов модуляции. Поэтому, чтобы поднять скорость передачи данных в четыре раза, достаточно было передавать два сигнала со сдвигом в 90°. Так появился протокол V.32, в котором максимальная скорость передачи данных составила 9600 bps, т.е. четырем фазовым состояниям сигнала (0°, 90°, 180° и 270°) сопоставили четыре возможные комбинации битов 00, 01, 10 и 11 (см. рис.19)

 

 

2 - Схемотехника

Рис.19

Дальнейшее увеличение скорости передачи данных за счет уменьшения фазового сдвига сигналов оказалось весьма проблематичным, поскольку такой сложный сигнал было очень тяжело декодировать на приемном конце из-за фазовых искажений сигнала, которые напрямую связаны с качеством канала связи. Поэтому решили остановиться на фазовом сдвиге в 90°, а дальнейшее увеличение скорости выполнить за счет амплитудной модуляции сложного сигнала (см. рис.17,20):

 

2 - Схемотехника

Рис.20

 

Так появилась квадратурная модуляция (Рис.21), благодаря которой удалось поднять скорость передачи данных в восемь раз! Таким образом, четырем фазовым состояниям аналогового сигнала соответствовали четыре возможные битовые комбинации, а еще два битовых состояния (0 и 1) удалось закодировать благодаря амплитудной модуляции.

 

2 - Схемотехника

Рис.21

 

Обратите внимание, что семь битовых комбинаций закодированы с помощью фазовой и только одна - с помощью амплитудной модуляции. Причина проста - низкая помехоустойчивость последней.

В результате появился стандарт V.32bis, в котором максимальная скорость передачи данных ограничивалась 14400 bps при модуляционной скорости в 2400 бод. Разделив 14400 на 2400, мы получим цифру 6, а не 8! Как же так? Всё очень просто. Специальный сектор стандартизации ITU-T при Международном телекоммуникационном союзе, рассмотрев все предложенные варианты, выбрал из восьми возможных шесть комбинаций сигнала, которые обеспечивали максимальную помехоустойчивость на среднестатистической аналоговой телефонной линии. Кроме этого, преследовалась и еще одна цель. Ограничив стандартом V.32bis максимальную скорость передачи данных на уровне 14400 вместо 19200 bps, ITU-T хотел создать здоровую конкуренцию между фирмами-производителями модемов. И надо сказать, своей цели он добился. Любая уважающая себя фирма, выпуская модем стандарта V.32bis, добавляла к нему свой фирменный протокол, позволяющий увеличить скорость передачи данных до 19200 и даже до 21600 bps. Однако борьба кланов привела к резкой несовместимости модемов различных фирм из-за выбора разных схем кодирования и модуляционных скоростей.

Итак, для увеличения скорости передачи сообщений в современных системах связи и передачи информации используется смешанные виды модуляции. Например, в модемах используется амплитудно-фазовая модуляция или квадратурная модуляция, при которой изменяется как амплитуда, частота, так и начальная фаза квазигармонического сигнала (см. п.8).

 

Список используемой литературы:

 

1. Кучумов А.И. Электроника и схемотехника: Учебное пособие. – М.: Гелиос АРБ, 2002.-304 с.:ил.

 

2. Быстров Ю.А. Электронные цепи и микросхемотехника: Учебник/Ю.А. Быстров, И.Г.Мироненко. – М.:Высш.шк.,2002.-384 с.:ил.

 

3. Калабеков Б.А. Цифровые устройства и микропроцессорные системы: Учебник для техникумов связи.-М.: Горячая линия-Телеком,2002.-336с.: ил.

 

4. Организация ЭВМ. 5-е изд./К.Хамахер, З.Вранешич, С.Заки.-СПб.: Питер; Киев: Издательская группа BHV, 2003.-848 c.: ил. – (Серия “Классика computer science”).

 

5. Крайзмер Л.П. Словарь радиолюбителя СПб.: Энергия, 1979.-400с.: ил.

 

6. Интернет ресурс: http://kunegin.narod.ru/ref1/v90/index.htm

Наверх страницы

Внимание! Не забудьте ознакомиться с остальными документами данного пользователя!

Соседние файлы в текущем каталоге:

На сайте уже 21970 файлов общим размером 9.9 ГБ.

Наш сайт представляет собой Сервис, где студенты самых различных специальностей могут делиться своей учебой. Для удобства организован онлайн просмотр содержимого самых разных форматов файлов с возможностью их скачивания. У нас можно найти курсовые и лабораторные работы, дипломные работы и диссертации, лекции и шпаргалки, учебники, чертежи, инструкции, пособия и методички - можно найти любые учебные материалы. Наш полезный сервис предназначен прежде всего для помощи студентам в учёбе, ведь разобраться с любым предметом всегда быстрее когда можно посмотреть примеры, ознакомится более углубленно по той или иной теме. Все материалы на сайте представлены для ознакомления и загружены самими пользователями. Учитесь с нами, учитесь на пятерки и становитесь самыми грамотными специалистами своей профессии.

Не нашли нужный документ? Воспользуйтесь поиском по содержимому всех файлов сайта:



Каждый день, проснувшись по утру, заходи на obmendoc.ru

Товарищ, не ленись - делись файлами и новому учись!

Яндекс.Метрика