Какво е сигнал и какво е шум?
В тази публикация ще ви запозная с основни неща за сигналите в безжичните комуникации. Какви са параметрите на сигнала, неговите типове и какво е шум.
Сигнал
Сигналът, е електрическия носител на информация, която се съдържа в дадено комуникационно съобщение. Ако в средата се разпространява радио/електромагнитна вълна, времевата зависимост на тока и напрежението, на електрическото или магнитното поле, се разглежда като електрически синал.
Сигналът има следните параметри:
- Амплитуда/Amplitude (А) – това е максимума и минимума на силата на тока или напрежението на сигнала.
- Дължина на вълната/Wavelength – разстоянието между два максимума или минимума (пикови точки) на сигнала.
- -Честота/Frequency (f) – това е скоростта на повтаряемост на един период минимуми и максимуми на амплитудата, за единица време. Ако се вземе в предвид дължината на един период, може да се определи честотата.
- -Фаза/Phase(φ) – това е аргументът на периодичната функция описваща хармоничен процес. Характеризира се с ъглова честота и време. По-просто казано – колко се е изместила формата на вълната за единица време.
Има няколко основни типа сигнали зависещи от типа им и от параметрите им, те биват:
Два основни вида сигнали: цифрови и аналогови
Основни типове сигнали:
- Непериодични сигнали – променящи параметрите си във времето и пространството.
- Периодични сигнали – не се променят.
- Случайни сигнали и шум.
Сигналите също така се делят на:
- Носещ сигнал(carrier) – в телекомуникациите този сигнал, обикновено синусоидален, има много по-висока честота от този на основния (input) сигнал.
- Сигнал в основна лента(BBS – Base Band Signal) – немодулиран сигнал, с ниска честота и обикновено по-голяма амплитуда от този на носещия.
- Модулиран сигнал – Това представлява на практика носещ сигнал променен под въздействието на сигнала носител на информация. Има Амплитудна, Честотна, Фазова и Импулсна модулцаия.
Сигналите се представят в две форми, по време и по честота:
- Форма по време(TD – TimeDomain) – Показва изменението на мощността (Амплитудата) за период от време. Измерва се с осцилоскоп.
- Форма по честота(FD – Frequency Domain) – Показва изменението на мощността , но не за период от време, а за определена честота. Измерва се с спектроанализатор.
Шум
Шумът (Noise) преставлява сигнал, който се появява случайно, не може да се предвиди и не носи информация. Той като цяло представлява нежелано модифициране на оригиналния сигнал при прихващане, предаване и др. действия. Това пречи на полезния сигнал да бъде правилно детектиран в приемника. Също така има вероятност да повлияе на цифровите сигнали и да произведе ber.
Bonus: Слушалките с Noise-Canceling технология, всъщност не канселират обикновенния шум. Те използват вграден микрофон, за да слушат шума (хора/коли, такъв – обикновен шум) и аналогично на него пускат през говорителите обратен звук на шума. По този начин го канселират, тъй като двата звука взаимно се изключват.
Отношение сигнал-шум (SNR):
В аналоговата предавателна част на канала за връзка, преди аналогово-цифровото преобразуване, възникват и се развиват шумови флуктации F(t). Те се наслагват върху аналоговия сигнал S(t). Образува се смес от сигнал и шум.
Отрицателното влияние на шума върху работния процес на канала се характеризира и оценява чрез отношението сигнал – шум (S/N или SNR(signal to noise ratio)) в канала. Дефинира се като частното от средната за периода мощност на сигнала и средната за периода мощност на шума.
(SNR) =Ps/Pf
По-лесно казано, всеки изпратен в пространството сигнал (музика за безжичните ви слушалки например или дори wifi) пристига самостоятелно в приемника, тъй като в пространството има и шум. Работата на приемника е да отсее полезния сигнал от шума. Следователно можем да кажем, че SNR е съотношението на силата на полезния сигнал, който ни трябва, спрямо силата на шума, който приемника прихваща.
Интересно!!
Стойността SNR е много важна статистика в WiFi мрежите. Благодарение на SNR можем да разберем дали средата, в която се намира нашата мрежа е добра или има много шум. Например, в големи предприятия, където работят големи машини с електромотори и магнити. Има шанс те да внасят огромно количество силен радио ШУМ в пространството – по-силен от полезния сигнал, който wifi клиентите и точките за достъп могат да излъчат или приемат. Следователно не могат да комуникират много добре и трябва да се направи нещо по въпроса.
Аналогично можем да си представим какво е да си говориш с някого в шумен клуб например. Музиката и виковете на други хора приемаме за шум, а това което искате да кажете на своя другар, е полезния сигнал. Някой път колкото и да викате, не се разбира и се налага да се повтаряте.
Канал/Chanel
Терминът канал за връзка в една комуникационна система се използва, когато по една и съща физична линия (СВЧ кабел, световод, вълновод и др.), респективно през една и съща физична среда (атмосфера, космос и др.) се пренасят паралелно много сигнали. Те са разделени на малки работни честоти в определен голям честотен спектър. Както каналите на радиото в колата например
BER(BitErrorRate)
BER(bit error rate) или грешка по бит, представлява броя на сгрешени битове за единица време. Също така имаме и друго BER(bit error ratio), което се разглежда като коефициент и представлява броя на сгрешени битове разделени на тоталния брой трансферирани битове, отново за някакъв интервал от време. Често се изобразява в %.
Например:
Ако имаме изпратена тази поредица битове: 0 1 1 0 0 0 1 0 1 1
А пък е приета тази поредица битове: 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1
Следователно броя на сгрешените битове е 3. Разделяме ги на общия брой битове, който е 10 и получаваме коефициент BER 0,3 или 30%.
Грешките по бит възникват в следствие на много фактори, едни от основните е, че при пренасяне на сигнала, той се смесва с шум, интерферира с други сигнали и т.н. Съответно при приемането му, част от информацията е сгрешена и тя или трябва да се поправи с помоща на сложни алгоритми, или да се изпрати на ново.