Практично з моменту зародження людські племена зіткнулося з необхідністю як накопичувати інформацію, а й обмінюватися нею друг з одним. Однак якщо з ближніми зробити це було не так вже й складно (мова та писемність), то з тими, хто був на далеких відстанях, цей процес викликав деякі проблеми.

Згодом вони були вирішені за допомогою винаходу сигналу. спочатку були досить примітивними (димові, звукові тощо), але поступово людство відкривало нові закони природи, що сприяло винаходу нових способів передачі інформації. Давайте дізнаємося, які види сигналів бувають, а також розглянемо, якими найчастіше користуються в сучасному суспільстві.

Що називається сигналом

Під цим словом мається на увазі закодована однією системою інформація, яка передається спеціальним каналом і може бути декодована іншою системою.

Багато вчених вважають, що здатність біологічних організмів або навіть окремих клітин взаємодіяти між собою (сигналізуючи про наявність поживних речовин чи небезпеки) стала основною рушійною силою еволюції.

Як сигнал може виступати кожен фізичний процес, параметри якого адаптуються під тип переданих даних. Наприклад, в системі телефонного зв'язку передавач перетворює слова абонента, що говорить, в електричний сигнал напруги, який по проводах передається до приймаючого апарату, біля якого знаходиться людина, що слухає.

Сигнал та повідомлення

Ці два поняття дуже близькі за значенням - вони містять певні дані, що передаються від відправника до одержувача. Однак між ними є відчутна відмінність.

Для реалізації поставленої мети повідомлення обов'язково має бути прийняте адресатом. Тобто його життєвий цикл складається з трьох етапів: кодування інформації – передача – декодування повідомлення.

У випадку сигналу його прийняття не є обов'язковою умовою його існування. Тобто зашифровану в ньому інформацію можна декодувати, але чи це буде зроблено кимось - невідомо.

Класифікація за різними критеріями сигналів: основні види

У природі існує чимало різновидів сигналів, що мають різні особливості. У зв'язку з цим їх класифікації використовують різні критерії цих явищ. Таким чином, виділяють три категорії:

• За способом подачі (регулярний/нерегулярний).
• На кшталт фізичної природи.
• На кшталт функції, що описує параметри.

Сигнали на кшталт фізичної природи

Залежно від способу освіти види сигналів бувають наступними.

• Електричні (носій інформації - струм, що змінюється в часі, або напруга в електричному ланцюзі).
• Магнітні.
• Електромагнітні.
• Теплові.
• Сигнали іонізуючих випромінювань.
• Оптичні/світлові.
• Акустичні (звукові).

Види сигналів останні два також є найпростішими прикладами комунікаційних технічних операцій, мета яких - оповіщення про особливості ситуації, що склалася.

Найчастіше їх використовують для попередження про небезпеку або несправності системи.

Нерідко звукові та оптичні різновиди використовуються як координуючі для налагодженої роботи автоматизованого обладнання. Так, деякі види сигналів управління (команди) є стимулюючими для системи, щоб почати діяти.

Наприклад, у протипожежних сигналізаціях для виявлення слідів диму датчиками вони видають пронизливий звук. Той, своєю чергою, сприймається системою як керуючий сигнал для гасіння вогнища займання.

Ще одним прикладом того, як сигнал (види сигналів на кшталт фізичної природи перераховані вище) активізує роботу системи у разі небезпеки, є терморегуляція людського організму. Так, якщо внаслідок різних факторів температура тіла підвищується, клітини «інформують» мозок про це і він включає «систему охолодження організму», більш відому всім як потовиділення.

За типом функції

За цим параметром виділяється різні категорії.

• Аналогові (безперервні).
• Квантові.
• Дискретні (імпульсні).
• Цифровий сигнал.

Всі ці види сигналів – електричні. Зумовлено це тим, що їх не лише легше обробляти, а й вони легко передаються на довгі дистанції.

Що таке аналоговий сигнал та його види

Така назва носять сигнали природного походження, що змінюються безперервно в часі (континуальні) і здатні набувати різних значень на деякому інтервалі.

Завдяки своїм властивостям вони чудово підходять для передачі даних у телефонному зв'язку, радіомовленні, а також телебаченні.

Фактично, решта всіх видів сигналів (цифрові, квантові і дискретні) за своєю природою - це перетворені аналогові.

Залежно від безперервних просторів та відповідних фізичних величин, виділяються різні види аналогових сигналів.

• Пряма.
• Відрізок.
• Окружність.
• Простори, що характеризуються багатовимірністю.

Квантований сигнал

Як уже було сказано в минулому пункті, це все той же аналоговий вигляд, проте його відмінність полягає в тому, що він зазнав квантування. У цьому вся область значень його піддалася розбивці рівні. Їх кількість представляється у числах заданої розрядності.

Зазвичай цей процес практично використовується при стисканні звукових чи оптичних сигналів. Чим більше рівнів квантування, тим точнішою стає трансформація аналогового виду в квантовий.

Розглянутий різновид також відноситься до тих, які виникли штучним шляхом.

У багатьох класифікаціях видів сигналів цей сигнал не виділяється. Однак він існує.

Дискретний вигляд

Цей сигнал відноситься до штучних і має кінцеве число рівнів (значень). Як правило, їх два чи три.

На практиці відмінність дискретного та аналогового способів передачі сигналів можна проілюструвати, порівнявши запис звуку на вінілової платівці та компакт-диску. На першій інформації подано у вигляді безперервної звукової доріжки. А ось на другому - у вигляді випалених лазером точок з різною здатністю, що відбиває.

Цей вид передачі даних виникає шляхом перетворення безперервного аналогового сигналу набір дискретних значень у формі двійкових кодів.

Згаданий процес називається дискретизацією. Залежно кількості символів в кодових комбінаціях (рівномірне/нерівномірне) його ділять на два виду.

Цифрові сигнали

Сьогодні цей спосіб передачі наполегливо витісняє аналоговий. Як і два попередні, він також є штучним. Насправді він представлений як послідовності цифрових значень.

На відміну від аналогового, аналізований набагато швидше та якісніше передає дані, паралельно очищаючи їх від шумових перешкод. Одночасно в цьому полягає і слабкість цифрового сигналу (види сигналів - у попередніх трьох пунктах). Справа в тому, що фільтрована у такий спосіб інформація втрачає «зашумлені» частинки з даними.

На практиці це означає, що з зображення, що передається, зникають цілі шматки. А якщо йдеться про звук – слова чи навіть цілі речення.

Фактично, будь-який аналоговий сигнал може бути модульований в цифровий. Для цього він піддається одночасно двом процесам: дискретизації та квантування. Будучи окремим способом передачі, цифровий сигнал не ділиться на види.

Його популярність сприяє тому, що останніми роками телевізори нового покоління створюються спеціально для цифрового, а не аналогового способу передачі зображення та звуку. Однак їх можна підключати до звичайних телевізійних кабелів за допомогою адаптерів.

Модуляція сигналів

Всі перераховані вище способи передачі даних пов'язані з таким явищем, як модуляція (для цифрових сигналів - маніпуляція). Навіщо вона потрібна?

Як відомо, електромагнітні хвилі (за допомогою яких переносяться різні види сигналів) схильні до згасання, а це суттєво зменшує дальність їхньої передачі. Щоб цього не сталося, низькочастотні коливання переносяться в область довгих високочастотних хвиль. Це і називається модуляцією (маніпуляцією).

Крім збільшення відстані передачі даних, завдяки їй підвищується завадостійкість сигналів. А також з'являється можливість одночасно організовувати кілька незалежних каналів передачі інформації.

Сам процес виглядає так. У прилад, що називається модулятором, надходять одночасно два сигнали: низькочастотний (несе певну інформацію) і високочастотний (безінформаційний, проте здатний передаватися на довгі дистанції). У цьому пристрої вони перетворюються на один, який одночасно поєднує в собі переваги їх обох.

Види вихідних сигналів залежать від зміненого параметра вхідного несучого високочастотного коливання.

Якщо воно гармонійне – такий процес модуляції називається аналоговим.

Якщо періодичне – імпульсним.

Якщо несучим сигналом є просто постійний струм - такий різновид називається шумоподібним.

Перші два види модуляції сигналів, у свою чергу, поділяються на підвиди.

Аналогова модуляція буває такою.

• Амплітудна (АМ) – зміна амплітуди несучого сигналу.
• Фазова (ФМ) – змінюється фаза.
• Частотна – впливу піддається лише частота.

Види модуляції сигналів імпульсних (дискретних).

• Амплітудно-імпульсна (АІМ).
• Частотно-імпульсна (ЧИМ).
• Широтно-випульсна (ШІМ).
• Фазо-імпульсна (ФІМ).

Розглянувши, які існують методи передачі, можна дійти невтішного висновку, що, незалежно від своїх виду, вони грають значної ролі у житті, допомагаючи йому всебічно розвиватися і захищаючи від потенційних небезпек.

Що стосується аналогового та цифрового сигналів (за допомогою яких передається інформація в сучасному світі) то, найімовірніше, у найближчі двадцять років у розвинених країнах перший буде практично повністю витіснений другим.

Сигнали – носіїінформації в засобах автоматизації можуть відрізнятися як за фізичною природою та параметрами, так і за формою подання інформації. В рамках ДСП (державна система приладів) застосовуються в серійному виробництві засобів автоматизації такі типи сигналів:

Електричний сигнал (напруга, сила чи частота електричного струму);

Пневматичний сигнал (тиск стисненого повітря);

Гідравлічний сигнал (тиск або перепад тиску рідини).

Відповідно в рамках ДСП формуються електрична, пневматична та гідравлічна гілки засобів автоматизації

За формою подання інформації сигнал може бути аналоговим, імпульсним та кодовим.

Аналоговий сигналхарактеризується поточними змінами якогось фізичного параметра-носія (наприклад, миттєвими значеннями електричної напруги або струму). Такий сигнал існує практично в кожний момент часу і може приймати будь-які значення в межах заданого діапазону змін параметра.

Імпульсний сигналхарактерний поданням інформації лише у дискретні моменти часу, тобто. наявністю квантування за часом. При цьому інформація подається у вигляді послідовності імпульсів однакової тривалості, але різної амплітуди (амплітудно-імпульсна модуляція сигналу) або однакової амплітуди, але різної тривалості (широтно-імпульсна модуляція сигналу).

Кодовий сигналє складною послідовністю імпульсів, що використовується для передачі цифрової інформації. У цьому кожна цифра то, можливо представлена ​​як складної послідовності імпульсів, тобто. коду, а сигнал, що передається, є дискретним (квантується) і за часом, і за рівнем.

Оптичний сигнал- Світлова хвиля, що несе певну інформацію. Особливістю світлової хвилі в порівнянні з радіохвильою є те, що внаслідок малої довжини хвилі в ній може бути практично здійснена передача, прийом та обробка сигналів, модульованих не тільки за часом, а й за просторовими координатами. Це дозволяє значно збільшити обсяг інформації, що вноситься в оптичний сигнал. Оптичний сигнал - функція чотирьох змінних (x, y, z, t) - 3-х координат та часу. Електромагнітна хвиля – зміна у часі та в кожній точці простору електричного та магнітного полів, які пов'язані між собою за законом індукції. Електромагнітна хвиля характеризується взаємно перпендикулярними векторами напруженостей електричного E та магнітного H полів, які змінюються в часі за одним і тим самим гармонійним законом.

Сигналами називають інформаційні коди, які застосовуються людьми, щоб передавати повідомлення в інформаційній системі. Сигнал може подаватись, але його отримання не обов'язково. Тоді як повідомленням можна вважати тільки такий сигнал (або сукупність сигналів), який був прийнятий та декодований одержувачем (аналоговий та цифровий сигнал).

Одними з перших методів передачі без участі людей чи інших живих істот були сигнальні багаття. У разі виникнення небезпеки послідовно розлучалися багаття від одного посту до іншого. Далі ми розглядатимемо спосіб передачі інформації за допомогою електромагнітних сигналів і докладно зупинимося на розгляді теми аналоговий та цифровий сигнал.

Будь-який сигнал може бути представлений у вигляді функції, яка описує зміни його характеристик. Така вистава зручна для вивчення пристроїв та систем радіотехніки. Крім сигналу в радіотехніці, є ще шум, який є його альтернативою. Шум не несе корисної інформації та спотворює сигнал, взаємодіючи з ним.

Саме поняття дає можливість відволіктися від конкретних фізичних величин при розгляді явищ, пов'язаних із кодуванням та декодуванням інформації. p align="justify"> Математична модель сигналу в дослідженнях дозволяє спиратися на параметри функції часу.

Типи сигналів

Сигнали з фізичного середовища носія інформації поділяються на електричні, оптичні, акустичні та електромагнітні.

За методом завдання сигнал може бути регулярним та нерегулярним. Регулярний сигнал є детермінованою функцією часу. Нерегулярний сигнал у радіотехніці представлений хаотичною функцією часу та аналізується імовірнісним підходом.

Сигнали в залежності від функції, яка описує їх параметри можуть бути аналоговими та дискретними. Дискретний сигнал, який піддав квантування називається цифровим сигналом.

Обробка сигналу

Аналоговий та цифровий сигнал обробляється та спрямований на те, щоб передати та отримати інформацію, закодовану у сигналі. Після отримання інформації її можна застосовувати в різних цілях. В окремих випадках інформація піддається форматуванню.

Аналогові сигнали піддаються посиленню, фільтрації, модуляції та демодуляції. Цифрові ж ще можуть піддаватися стиску, виявлення та інших.

Аналоговий сигнал

Наші органи почуттів сприймають всю інформацію в аналоговому вигляді. Наприклад, якщо ми бачимо автомобіль, що проїжджає повз, ми бачимо його рух безперервно. Якби наш мозок міг отримувати інформацію про його становище раз на 10 секунд, люди постійно потрапляли б під колеса. Але ми можемо оцінювати відстань набагато швидше і ця відстань у кожний момент часу чітко визначена.

Абсолютно те саме відбувається і з іншою інформацією, ми можемо оцінювати гучність у будь-який момент, відчувати який тиск наші пальці чинять на предмети тощо. Іншими словами, практично вся інформація, яка може виникати в природі, має аналоговий вигляд. Передавати подібну інформацію найпростіше аналоговими сигналами, які є безперервними та визначені у будь-який момент часу.

Щоб зрозуміти, як виглядає аналоговий електричний сигнал, можна уявити графік, на якому буде відображена амплітуда по вертикальній осі і час по горизонтальній осі. Якщо ми, наприклад, заміряємо зміну температури, то графіку з'явиться безперервна лінія, що відображає її значення у кожен час. Щоб передати такий сигнал за допомогою електричного струму, нам треба порівняти значення температури із значенням напруги. Так, наприклад, 35.342 градуси за Цельсієм можуть бути закодовані як напруга 3.5342.

Аналогові сигнали раніше використовувалися у всіх видах зв'язку. Щоб уникнути перешкод, такий сигнал потрібно посилювати. Чим вище рівень шуму, тобто перешкод, тим більше треба посилювати сигнал, щоб його можна було прийняти без спотворення. Такий метод обробки сигналу витрачає багато енергії виділення тепла. При цьому посилений сигнал може стати причиною перешкод для інших каналів зв'язку.

Наразі аналогові сигнали ще застосовуються в телебаченні та радіо, для перетворення вхідного сигналу у мікрофонах. Але, загалом, цей тип сигналу повсюдно витіснений чи витісняється цифровими сигналами.

Цифровий сигнал

Цифровий сигнал представлений послідовністю цифрових значень. Найчастіше зараз застосовуються двійкові цифрові сигнали, оскільки вони використовуються у двійковій електроніці та легше кодуються.

На відміну від попереднього типу сигналу, цифровий сигнал має два значення «1» і «0». Якщо ми згадаємо наш приклад із вимірюванням температури, то сигнал буде сформований інакше. Якщо напруга, яка подається аналоговим сигналом відповідає значенню вимірюваної температури, то цифровому сигналі для кожного значення температури буде подаватися певна кількість імпульсів напруги. Сам імпульс напруги тут дорівнюватиме «1», а відсутність напруги – «0». Приймальна апаратура декодуватиме імпульси та відновить вихідні дані.

Уявивши, як виглядатиме цифровий сигнал на графіку, ми побачимо, що перехід від нульового значення до максимального відбувається різко. Саме ця особливість дозволяє приймаючій апаратурі чіткіше «бачити» сигнал. Якщо виникають перешкоди, приймачеві простіше декодувати сигнал, ніж при аналоговій передачі.

Однак цифровий сигнал з дуже великим рівнем шуму відновити неможливо, тоді як аналогового типу при великому спотворенні ще є можливість «видудити» інформацію. Це з ефектом обриву. Суть ефекту у цьому, що цифрові сигнали можуть передаватися певні відстані, та був просто обриваються. Цей ефект виникає повсюдно та вирішується простою регенерацією сигналу. Там, де сигнал обривається, слід вставити повторювач або зменшити довжину лінії зв'язку. Повторювач не підсилює сигнал, а розпізнає його початковий вигляд і видає його точну копію і може використовуватися як завгодно в ланцюзі. Такі способи повторення сигналу активно застосовують у мережевих технологіях.

Крім іншого аналоговий і цифровий сигнал відрізняється і можливість кодування та шифрування інформації. Це одна з причин переходу мобільного зв'язку на «цифру».

Аналоговий та цифровий сигнал та цифро-аналогове перетворення

Слід ще трохи розповісти про те, як аналогова інформація передається цифровими каналами зв'язку. Знову вдамося до прикладів. Як говорилося звук – це аналоговий сигнал.

Що відбувається в мобільних телефонах, які передають інформацію цифровими каналами

Звук, потрапляючи в мікрофон, піддається аналого-цифровому перетворенню (АЦП). Цей процес складається з 3 ступенів. Беруться окремі значення сигналу через однакові часи, цей процес називається дискретизація. По теоремі Котельникова про пропускну здатність каналів, частота взяття цих значень має бути вдвічі вищою, ніж найвища частота сигналу. Тобто, якщо в нашому каналі стоїть обмеження на частоту 4 кГц, то частота дискретизації становитиме 8 кГц.

Далі всі вибрані значення сигналу округляються або, інакше кажучи, квантуються. Чим більше рівнів буде створено, тим вище буде точність відновленого сигналу на приймачі. Потім всі значення перетворюються на двійковий код, який передається на базову станцію і потім доходить до іншого абонента, що є приймачем. У телефоні приймача відбувається процедура цифроаналогового перетворення (ЦАП). Це зворотна процедура, мета якої на виході отримати сигнал якомога ідентичніший вихідному. Далі аналоговий сигнал виходить у вигляді звуку з динаміка телефону.

Види сигналів

Сигнал

Сигнал- Це фізичний процес, деяка характеристика якого несе інформаційний зміст.

Наприклад, світловий сигнал (потік світла) характеризується яскравістю, кольором, поляризаційними властивостями, напрямом поширення та ін.

Інформацію може нести як з цих характеристик, і одночасне поєднання кількох характеристик.

Сигнал виникає в природі при взаємодії матеріальних об'єктів і несе у собі інформацію про цю взаємодію. Сигнал здатний переміщатися, поширюватися в деякому матеріальному середовищі, тим самим забезпечуючи просторове перенесення інформаціївід об'єкта (джерела події) до суб'єкта (спостерігача). Матеріальне середовище, в якому поширюється сигнал, називається носієм сигналу.

Сигнали розрізняються, перш за все, за своєю фізичної природи. Приклади: світловий сигнал, звуковий, електричний, радіосигнал.

Залежно від джерела, що їх породжує, сигнали бувають природніабо штучні.

Природні сигнали виникають через те, що у живої чи неживої природі взаємодіють матеріальні об'єкти. Це природний процес, що ніяк не пов'язаний з діяльністю людини. Приклади: свічення Сонця, спів птахів, поширення запаху квітів.

Штучні сигнали ініціюються людиною чи виникають у технічних системах, створених людиною. Приклади: - електричні сигнали телефонної лінії; радіосигнали; сигнальна ракета чи багаття; сигнал світлофора; сирена пожежної машини.

За формою сигнали бувають аналогові, дискретніі цифрові.

Аналоговий (або безперервний) сигналє фізичний процес, інформаційна характеристика якого змінюється плавно. Наприклад, електричний сигнал, що плавно змінюється (рис.1). Інші приклади: звуковий сигнал, світловий сигнал. Практично всі природні аналогові сигнали.

Особливістю аналогового сигналу є розмитість кордону між двома його сусідніми значеннями. Загальна кількість значень, якими можна характеризувати аналоговий сигнал, дуже велика.

Дискретний сигналє фізичний процес, інформаційна характеристика якого змінюється стрибкоподібно і може приймати лише деякий обмежений набір значень (рис.2).

Особливість дискретного сигналу – це чітке розмежування між двома різними значеннями сигналу. Загальна кількість можливих значень, які може приймати дискретний сигнал завжди обмежена.

Наприклад, лампа, включена в електричний ланцюг. Лампа може або горіти, або горіти. Якщо лампа горить, це є сигналом про те, що в ланцюзі є струм. Якщо не горить – току немає. Проміжні значення (з якою яскравістю горить лампа) тут не враховуються – значень лише два: або горить, або горить.

Інший приклад: телеграфом передається деяке повідомлення.

Повідомлення передається за допомогою азбуки Морзе, яка використовує три різні значення: точка, тире та пробіл (пауза). Сигнал, який несе це повідомлення, теж матиме лише три різні значення: короткий сигнал, довгий сигнал та відсутність сигналу. Оскільки кількість можливих значень сигналу обмежена, це дискретний сигнал.

Дискретні сигнали, як правило, штучні(Створюються людиною або технічною системою).

Аналогові, дискретні та цифрові сигнали

Однією з тенденцій розвитку сучасних систем зв'язку є широке застосування в них дискретно-аналогової та цифрової обробки сигналів (ДАО та ЦГЗ).

Аналоговий сигнал Z'(t), що спочатку використовується в радіотехніці, може бути представлений у вигляді безперервного графіка (рис. 2.10а). До аналогових сигналів відносять АМ-, ЧС-, ФМ-сигнали, сигнали телеметричного датчика та ін. Пристрої, в яких обробляються аналогові сигнали, називаються пристроями аналогової обробки. До таких пристроїв відносяться перетворювачі частоти, різні підсилювачі, LC фільтри та ін.

Оптимальний прийом аналогових сигналів, як правило, передбачає алгоритм оптимальної лінійної фільтрації, яка є актуальною особливо при використанні складних шумоподібних сигналів. Однак саме в цьому випадку побудова узгодженого фільтра становить велику складність. При використанні узгоджених фільтрів на основі багатовідвідних ліній затримки (магнітострикційних, кварцових та ін) виходять великі згасання, габарити та нестабільність затримки. Перспективні фільтри на поверхневих акустичних хвилях (ПАР), але малі тривалості оброблюваних у них сигналів і складність перебудови параметрів фільтрів обмежують область їх застосування.

На зміну аналоговим РЕМ у 40-х роках прийшли пристрої дискретної обробки аналогових вхідних процесів. Ці пристрої забезпечують дискретно-аналогову обробку (ДАО) сигналів і мають великі можливості. Тут застосовується сигнал дискретний за часом, безперервний станами. Такий сигнал Z'(kT) є послідовністю імпульсів з амплітудами, рівними значенням аналогового сигналу Z'(t) в дискретні моменти часу t=kT, де k=0,1,2,… - цілі числа. Перехід від безперервного сигналу Z'(t) до послідовності імпульсів Z'(kT) називається дискретизацією за часом.

Малюнок 2.10 Аналогові, дискретні та цифрові сигнали

Рисунок 2.11 Дискретизація аналогового сигналу

Дискретизацію аналогового сигналу за часом може виконати каскад збігу "І" (рис. 2.11), на вході якого діє аналоговий сигнал Z'(t). Керується каскад збігу тактовою напругою UT(t) – короткими імпульсами тривалістю tі, що випливають з інтервалами T>>tі.

Інтервал дискретизації Т вибирається відповідно до теореми Котельникова T=1/2Fmax, де Fmax – максимальна частота у спектрі аналогового сигналу. Частоту fд = 1/Т називають частотою дискретизації, а сукупність значень сигналу при 0, Т, 2Т, - сигналом з амплітудо-імпульсною модуляцією (АІМ).

До кінця 50-х років сигнали АІМ застосовувалися лише за перетворення мовних сигналів. Для передачі по каналу радіорелейного зв'язку АІМ сигнал перетворюють на сигнал з фазоімпульсною модуляцією (ФІМ). При цьому амплітуда імпульсів постійна, а інформація про мовне повідомлення міститься у відхиленні (фазі) Dt імпульсу щодо деякого середнього положення. Використовуючи короткі імпульси одного сигналу, і розміщуючи між ними імпульси інших сигналів, отримують багатоканальний зв'язок (але не більше 60 каналів).

В даний час ДАТ посилено розвивається на основі застосування «пожежних ланцюжків» (ПЦ) та приладів із зарядними зв'язками (ПЗЗ).

На початку 70-х років на мережах зв'язку різних країн та СРСР почали з'являтися системи з імпульсно-кодовою модуляцією (ІКМ), де застосовуються сигнали у цифровій формі.

Процес ІКМ є перетворення аналогового сигналу в цифри, складається з трьох операцій: дискретизація за часом через інтервали Т (рис.2.10,б), квантування за рівнем (рис. 2.10,в) і кодування (рис. 2.10,д). Операцію дискретизації за часом розглянуто вище. Операція квантування за рівнем полягає в тому, що послідовність імпульсів, амплітуди яких відповідають значенням аналогового сигналу 3 в дискретні моменти часу, замінюється послідовністю імпульсів амплітуди яких можуть приймати тільки обмежене число фіксованих значень. Ця операція призводить до помилки квантування (рис.2.10 г).

Сигнал ZКВ(kT) є дискретним сигналом як за часом, так і за станами. Можливі значення u0, u1,…,uN-1 сигналу Z'(kT) на приймальній стороні відомі, тому передають значення uk, яке сигнал прийняв на інтервалі Т, а тільки його номер рівня k. На приймальній стороні прийнятого номера k відновлюють значення uk. І тут передачі підлягають послідовності чисел у двійковій системі числення – кодові слова.

Процес кодування полягає у перетворенні квантованого сигналу Z'(kT) у послідовність кодових слів (x(kT)). На рис. 2.10, зображені кодові слова у вигляді послідовності двійкових кодових комбінацій при використанні трьох розрядів.

Розглянуті операції ІКМ застосовуються в РПУ з ЦГЗ, причому ІКМ необхідна не тільки для аналогових сигналів, але і для цифрових.

Покажемо необхідність ІКМ прийому цифрових сигналів по радіоканалу. Так, при передачі в декаметровому діапазоні елемент xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx цифрового сигналу xi(kT) (i=0,1), що відображає n-ий елемент коду, очікуваний сигнал на вході РПУ разом з адитивною перешкодою ξ(t) можна представити у вигляді:

z / i (t) = µx(kT) + ξ(t) , (2.2)

при (0 ≤ t ≥ ТЕ),

де μ-коефіцієнт передачі каналу, ТЕ - час тривалості елемента сигналу. З (2.2) видно, що перешкоди на вході РПУ утворюють безліч сигналів, що є аналоговим коливанням.

Прикладами цифрових схем є логічні елементи, регістри, тригери, лічильники, що запам'ятовують пристрої та ін. За кількістю вузлів на ІВ і БІС, РПУ з ЦГЗ ділять на дві групи

1. Аналого-цифрові РПУ, які мають реалізовані на ІС окремі вузли: синтезатор частоти, фільтри, демодулятор, АРУ та ін.

2. Цифрові радіоприймачі (ЦРПУ), в яких сигнал обробляється після аналого-цифрового перетворювача (АЦП).

На рис. 2.12 показані елементи основного (інформаційного каналу) ЦРПУ декаметрового діапазону: аналогова частина приймального тракту (АЧПТ), АЦП (що складається з дискретизатора, квантувача та кодера), цифрова частина приймального тракту (ЦЧПТ), цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП) та фільтр нижніх частот (ФНЧ). Подвійні лінії позначають передачу цифрових сигналів (кодів), а одинарні – аналогових та АІМ сигналів.

Рисунок 2.12 Елементи основного (інформаційного каналу) ЦРПУ декаметрового діапазону

АЧПТ виробляє попередню частотну вибірковість, значне посилення та перетворення сигналу Z'(T) за частотою. АЦП перетворює аналоговий сигнал Z'(T) на цифровий x(kT) (рис. 2.10,д).

У ЦЧПТ зазвичай проводиться додаткове перетворення за частотою, вибірковість (у цифровому фільтрі – основний вибірковості) та цифрова демодуляція аналогових та дискретних повідомлень (частотної, відносної фазової та амплітудної телеграфії). На виході ЦППТ отримуємо цифровий сигнал y(kT) (рис. 2.10,е). Цей сигнал, оброблений за заданим алгоритмом, з виходу ЦЧПТ надходить у ЦАП або запам'ятовуючий пристрій ЕОМ (при прийомі даних).

У послідовно включених ЦАП і ФНЧ, цифровий сигнал y(kT) перетворюється спочатку безперервний за часом і дискретний за станами сигнал y(t), а потім у yФ(t), який безперервний за часом і станами (рис. 2.10,ж , З).

З багатьох методів цифрової обробки сигналів у ЦРПУ найважливішими є цифрова фільтрація та демодуляція. Розглянемо алгоритми та структуру цифрового фільтра (ЦФ) та цифрового демодулятора (ЦД).

Цифровий фільтр – це дискретна система (фізичний пристрій чи програма для ЕОМ). У ньому послідовність числових відліків (x(kT))вхідного сигналу перетворюється на послідовність (y(kT))вихідного сигналу.

Основними алгоритмами ЦФ є: лінійне різницеве ​​рівняння, рівняння дискретної згортки, операторна передатна функція в z-площині та частотна характеристика.

Рівняння, що описують послідовності чисел (імпульсів) на вході та виході ЦФ (дискретної системи із затримкою), називаються лінійними різницевими рівняннями.

Лінійне різницеве ​​рівняння рекурсивного ЦФ має вигляд:

, (2.3)

де x[(k-m)T] та y[(k-n)T] – значення вхідних та вихідних послідовностей числових відліків у моменти часу (k-m)T та (k-n)Т відповідно; m і n – число затриманих підсумованих попередніх вхідних та вихідних числових відліків відповідно;

a0, a1, …, am та b1, b2, …, bn – речові вагові коефіцієнти.

У (3) перший доданок є лінійним різницевим рівнянням нерекурсивного ЦФ. Рівняння дискретної згортки ЦФ одержують із лінійного різницевого нерекурсивного ЦФ шляхом заміни в ньому al на h(lT):

, (2.4)

де h(lT) – імпульсна характеристика ЦФ, що є відгуком на одиничний імпульс.

Операторна передатна функція є відношення перетворених за Лапласом функцій на виході та вході ЦФ:

, (2.5)

Цю функцію отримують безпосередньо з різницевих рівнянь, застосовуючи дискретне перетворення Лапласа та теорему усунення.

Під дискретним перетворенням Лапласа, наприклад, послідовності (x(kT)) розуміється отримання L – зображення виду

, (2.6)

де p = s + jw – комплексний оператор Лапласа.

Теорему зсуву (зсуву) стосовно дискретних функцій можна сформулювати: зсув незалежної змінної оригіналу в часі на ±mT відповідає множенню L –зображення на . Наприклад,

Враховуючи властивості лінійності дискретного перетворення Лапласа та теорему зміщення, вихідна послідовність чисел нерекурсивного ЦФ набуде вигляду

, (2.8)

Тоді операторна передатна функція нерекурсивного ЦФ:

, (2.9)

Малюнок 2.13

Аналогічно з огляду на формулу (2.3) отримаємо операторну передатну функцію рекурсивного ЦФ:

, (2.10)

Формули операторних передавальних функцій мають складний вигляд. Тому великі труднощі виникають при дослідженні полів та полюсів (коренів рис. 2.13 полінома чисельника та коренів полінома знаменника), які в р-площині мають періодичну за частотою структуру.

Аналіз та синтез ЦФ спрощується при застосуванні z – перетворення, коли переходять до нової комплексної змінної z, пов'язаної з p співвідношенням z=epT або z-1=e-рT. Тут комплексна площина р = s + jw відображається іншою комплексною площиною z = x + jy. Для цього необхідно, щоб es+jw=x+jy. На рис. 2.13 показані комплексні площини р і z.

Зробивши заміну змінних e-pT=z-1 (2.9) і (2.10), отримаємо передатні функції в z-площині відповідно для нерекурсивного і рекурсивного ЦФ:

, (2.11)

, (2.12)

Передатна функція нерекурсивного ЦФ має лише нулі, тому він абсолютно стійкий. Рекурсивний ЦФ буде стійким, якщо його полюси будуть розташовані всередині одиничного кола z-площини.

Передатна функція ЦФ у вигляді полінома за негативними ступенями змінної z дає можливість безпосередньо на вигляд функції HЦ(z) скласти структурну схему ЦФ. Змінну z-1 називають оператором одиничної затримки, але в структурних схемах це елемент затримки. Тому старші ступеня чисельника та знаменника передавальної функції HЦ(z)річок визначають кількість елементів затримки відповідно у нерекурсивній та рекурсивній частинах ЦФ.

Частотну характеристику ЦФ отримують безпосередньо з його передавальної функції в z-площині шляхом заміни z на ejl (або z-1 на e-jl) та проведення необхідних перетворень. Тому частотну характеристику можна записати у вигляді:

, (2.13)

де КЦ(l) - амплітудно-частотна (АЧХ), а φ(l) - фазочастотна характеристики ЦФ; l=2 f' - цифрова частота; f '=f/fД – відносна частота; f – циклічна частота.

Характеристика КЦ(jl) ЦФ є періодичною функцією цифрової частоти з періодом 2 (або одиниці у відносних частотах). Справді, ejl±jn2 = ejl±jn2 = ejl, т.к. за формулою Ейлера ejn2 = cosn2 + jsinn2 = 1.

Малюнок 2.14 Структурна схема коливального контуру

У радіотехніці при аналоговій обробці сигналу найпростішим частотним фільтром є коливальний контур LC. Покажемо, що при цифровій обробці найпростішим частотним фільтром є рекурсивна ланка другого порядку, передатна функція в z-площині якої

, (2.14)

а структурна схема має вигляд, зображений на рис. 2.14. Тут оператор Z-1 є дискретним елементом затримки один такт роботи ЦФ, лінії зі стрілками позначають множення на a0, b2, і b1, «блок +» означає суматор.

Для спрощення аналізу у виразі (2.14) приймемо a0=1, представивши його за позитивними ступенями z, отримаємо

, (2.15)

Передатна функція цифрового резонатора, як і коливальний LC-контур, залежить тільки від параметрів ланцюга. Роль L,C,R виконують коефіцієнти b1 та b2.

З (2.15) видно, що передатна функція рекурсивної ланки другого порядку має в площині z нуль другої кратності (у точки z = 0) і два полюси

і

Рівняння частотної характеристики рекурсивної ланки другого порядку отримаємо (2.14), замінюючи z-1 на e-jl (при a0=1):

, (2.16)

Амплітудно-частотна характеристика дорівнює модулю (2.16):

Після проведення елементарних перетворень. АЧХ рекурсивної ланки другого порядку набуде вигляду:

Малюнок 2.15 Графік рекурсивної ланки другого порядку

На рис. 2.15 зображені графіки відповідно до (2.18) при b1=0. З графіків видно, що рекурсивне ланка другого порядку вузькосмугової виборчої системою, тобто. цифровий резонатор. Тут показано тільки робочу ділянку частотного діапазону резонатора f '<0,5. Далее характери-стики повторяются с интервалом fД

Дослідження показують, що резонансна частота f0' прийматиме наступні значення:

f0'=fД/4 при b1=0;

f0’ 0;

f0'>fД/4 при b1<0.

Значення b1 та b2 змінюють як резонансну частоту, так і добротність резонатора. Якщо b1 вибирати з умови

, де b1 і b2 будуть впливати тільки на добротність (f0'=const). Перебудову частоти резонатора можна забезпечити зміною fД.

Цифровий демодулятор

Цифровий демодулятор у загальній теорії зв'язку розглядається як обчислювальний пристрій, який виконує обробку суміші сигналу та перешкод.

Визначимо алгоритми ЦД для обробки аналогових сигналів АМ і ЧС з високим ставленням сигнал/шум. Для цього представимо комплексну обгинальну Z/(t) вузькосмугової аналогової суміші сигналу і перешкод Z'(t) на виході АЧПТ у показовій та алгебраїчній формі:

і

, (2.20)

є огинаючої та повної фазою суміші, а ZC(t) та ZS(t) – квадратурні складові.

З (2.20) видно, що сигнал, що огинає Z(t) містить повну інформацію про закон модуляції. Тому цифровий алгоритм обробки аналогового АМ-сигналу ЦД з використанням квадратурних складових XC(kT) і XS(kT) цифрового сигналу x(kT) має вигляд:

Відомо, що частота сигналу є першою похідною з його фази, тобто.

, (2.22)

Тоді з (2.20) та (2.22) випливають:

, (2.23)

Малюнок 2.16 Структурна схема ЦППТ

Використовуючи (2.23) квадратурні складові XC(kT) b XS(kT) цифрового сигналу x(kT) та замінюючи похідні першими різницями, отримаємо цифровий алгоритм обробки аналогового ЧС-сигналу в ЦД:

На рис. 2.16 показаний варіант структурної схеми ЦЧПТ прийому аналогових сигналів АМ і ЧМ, що складається з квадратурного перетворювача (КП) і ЦД.

У КП утворюються квадратурні складові комплексного цифрового сигналу шляхом перемноження сигналу x(kT) на дві послідовності (cos(2πf 1 kT)) та (sin(2πf 1 kT)), де f1 – центральна частота найнижчечастотного відображення спектра сигналу z'(t ). На виході перемножувачів цифрові фільтри нижніх частот (ЦФНЧ) забезпечують придушення гармонік частотою 2f1 і виділяють цифрові відліки квадратурних складових. Тут ЦФНЧ використовуються як цифровий фільтр основної вибірковості. Структурна схема ЦД відповідає алгоритмам (2.21) та (2.24).

Розглянуті алгоритми цифрової обробки сигналів можна реалізувати апаратним методом (за допомогою спеціалізованих обчислювачів на цифрових ІС, приладів із зарядним зв'язком або приладів на поверхнево-акустичних хвилях) та у вигляді програм на ЕОМ.

При програмній реалізації алгоритму обробки сигналів ЕОМ виконує арифметичні операції над що зберігаються в ній коефіцієнтами al, bl і змінними x(kT), y(kT).

Раніше недоліками обчислювальних методів були обмежена швидкодія, наявність специфічних похибок, необхідність переселекції, велика складність і вартість. Нині ці обмеження успішно долаються.

Перевагами пристроїв цифрової обробки сигналів перед аналоговими є досконалі алгоритми пов'язані з навчанням та адаптацією сигналів, простота управління характеристиками, висока часова та температурна стабільність параметрів, висока точність та можливість одночасної та незалежної обробки кількох сигналів.

Прості та складні сигнали. База сигналу

p align="justify"> Характеристики (параметри) систем зв'язку покращувалися в міру освоєння видів сигналів та їх способів прийому, обробки (поділу). Щоразу виникала потреба у грамотному розподілі обмеженого частотного ресурсу між працюючими радіостанціями. Паралельно вирішувалося питання зменшення смуги випромінювання сигналами. Проте були проблеми прийому сигналів, які простим розподілом частотного ресурсу не вирішувалися. Тільки застосування статистичного методу обробки сигналів – кореляційного аналізу дозволило вирішити проблеми.

Прості сигнали мають основу сигналу

BS=TS*∆FS≈1, (2.25)

де TS – тривалість сигналу; ∆FS – ширина спектра простого сигналу.

Системи зв'язку, що працюють на простих сигналах, називають вузькосмуговими. У складних (складових, шумоподібних) сигналів за час тривалості сигналу TS відбувається додаткова модуляція (маніпуляція) за частотою або фазою. Тому тут застосовується таке співвідношення бази складного сигналу:

BSS=TS*∆FSS>>1, (2.26)

де ∆FSS – ширина спектра складного сигналу.

Іноді кажуть, що з простих сигналів ∆FS = 1/ TS є спектром повідомлення. У складних сигналів спектр сигналів розширюється в ∆FSS / ∆FS разів. При цьому виходить надмірність у спектрі сигналу, що визначає корисні властивості складних сигналів. Якщо системі зв'язку зі складними сигналами збільшити швидкість передачі, щоб отримати тривалість складного сигналу TS = 1/ ∆FSS , то утворюється знову простий сигнал і вузькосмугова система зв'язку. Корисні властивості системи зв'язку зникають.

Способи розширення спектра сигналу

Розглянуті вище дискретні та цифрові сигнали – це сигнали тимчасовим розподілом.

Ознайомимося з широкосмуговими цифровими сигналами та методами багатостанційного доступу з кодовим (за формою) поділом каналів.

Спочатку широкосмугові сигнали застосовувалися у військовій та супутниковій связи.через їх корисних властивостей. Тут використовувалися їхня висока захищеність від перешкод і скритність. Система зв'язку з широкосмуговими сигналами може працювати, коли неможливе енергетичне перехоплення сигналу, а підслуховування без наявності зразка сигналу і без спеціальної апаратури неможливе і при прийнятому сигналі.

Використовувати відрізки білого теплового шуму як переносник інформації та метод широкосмугової передачі запропонував Шеннон. Він запровадив поняття пропускної спроможності каналу зв'язку. Показав зв'язок між можливістю безпомилкової передачі інформації із заданим ставленням і смугою частот, що займається сигналом.

Першою системою зв'язку зі складними сигналами з відрізків білого теплового шуму було запропоновано Костасом. У Радянському Союзі застосовувати широкосмугові сигнали, коли реалізується метод багатостанційного доступу з кодовим поділом каналів, запропонував Л. Є. Варакін.

Для тимчасового представлення будь-якого варіанта складного сигналу можна записати співвідношення:

де UI (t) і (t) – огинаюча та початкова фази, які є повільно змінюються

функціями порівняно з cosω 0 t; - несуча частота.

При частотному поданні сигналу його узагальнена спектральна форма має вигляд

, (2.28)

де – координатні функції; - Коефіцієнти розкладання.

Координатні функції повинні задовольняти умову ортогональності

, (2.29)

а коефіцієнти розкладання

(2.30)

Для паралельних складних сигналів як координатні функції спочатку використовували тригонометричні функції кратних частот

, (2.31)

коли кожен i-й варіант складного сигналу має вигляд

Z i(t) = t . (2.32)

Тоді, прийнявши

A ki = та = - arktg(β ki / ki), (2.33)

Ki , βki - Коефіцієнти розкладання в тригонометричний ряд Фур'є i-го сигналу;

i = 1,2,3,…,m; m - основа коду, отримуємо

Z i(t) = t . (2.34)

Тут складові сигналу займають частоти від ki1/2π=ki1/TS до ki2/2π=ki2/TS; ki1 = min (ki1) та ki2 = max (ki2); ki1 і ki2 – номери найменшої та найбільшої гармонійних складових, які суттєво впливають на формування i-го варіанта сигналу; Ni = ki2 – ki1 + 1 – число гармонійних складових складного i-го сигналу.

Смуга частот займається сигналом

∆FSS = (ki2 - ki1 + 1)ω 0 / 2π = (ki2 - ki1 + 1) / TS. (2.35)

У ній зосереджена переважна більшість енергетичного спектра сигналу.

Зі співвідношення (35) випливає, що база цього сигналу

BSS = TS ∙ ∆FSS = (ki2 - ki1 + 1) = Ni , (2.36)

дорівнює кількості гармонійних складових сигналу Ni, які формує i-й варіант сигналу

Малюнок 2.17

б)

Малюнок 2.18 Схема розширення спектра сигналу з графіком періодичної послідовності

З 1996-1997 років у комерційних цілях компанія Qualcomm почала застосовувати для формування паралельних складних сигналів на основі (28) підмножини (φk(t)) повних ортогоналізованих на інтервалі функцій Уолша. При цьому реалізується метод багатостанційного доступу із кодовим поділом каналів – стандарт CDMA (Code Division Multiple Access)

Малюнок 2.19 Схема кореляційного приймача

Корисні властивості широкосмугових (складових) сигналів

Малюнок 2.20

При зв'язку з рухомими станціями (ПС) проявляється багатопроменеве (багатошляхове) поширення сигналу. Тому можлива інтерференція сигналу, що призводить до появи просторового розподілу електромагнітного поля глибоких провалів (замирань сигналів). Так, у міських умовах у точці прийому може бути лише перевідбиті сигнали від висотних будівель, пагорбів тощо, якщо відсутня пряма видимість. Тому два сигнали з частотою 937,5 МГц (l = 32см), що прийшли зі зсувом у часі на 0,5 нс при різниці в дорозі 16см, складаються в протифазі.

Рівень сигналу на вході приймача змінюється і від проходить повз станцію транспорту.

Вузькосмугові системи зв'язку не можуть працювати в умовах багатопроменевості. Так якщо на вході такої системи буде три промені сигналу однієї посилки Si(t) –Si1(t), Si2(t), Si3(t), які перекриваються в часі за рахунок різниці в довжині шляху проходження, їх розділити на виході смугового фільтра (Yi1(t), Yi2(t), Yi3(t)) неможливо.

Системи зв'язку зі складними сигналами протистоять багатопроменевому характеру поширення радіохвиль. Так, вибираючи смугу ∆FSS такою, щоб тривалість згорнутого імпульсу на виході кореляційного детектора або узгодженого фільтра була менше часу запізнення сусідніх променів, можна прийняти один промінь або, забезпечивши відповідні затримки імпульсів (Gi(t)), скласти їх енергію, сигал/шум. Американська система зв'язку Rake подібно до граблів збирала промені, що відбивалися від Місяця сигналу і підсумовували їх.

Принцип накопичення сигналу дозволяє значно покращити завадостійкість та інші властивості сигналу. Подання про накопичення сигналу дає просте повторення сигналу.

Першим елементом цієї мети використовувалася частотно-виборча система (фільтр).

Кореляційний аналіз дозволяє визначити статистичну зв'язок (залежність) між прийнятим сигналом та еталонним сигналом, що знаходиться на приймальній стороні. Поняття кореляційної функції ввів Тейлор в 1920г. Кореляційна функція – це статистичне середнє значення другого порядку за часом, або спектральне середнє, або ймовірнісне середнє значення.

Якщо тимчасові функції (безперервні послідовності) x(t) та y(t) мають середні арифметичні значення

З тимчасовим поділом каналів;

З кодовим поділом каналів.

Періодична функція має вигляд:

f(t) = f(t+kT), (2.40)

де T-період, k-будь-яке ціле число (k= , 2, …). Періодичність існує на всій осі часу (-< t <+ ). При этом на любом отрезке времени равном T будет полное описа­ние сигнала.

На рис.2.10,а,б,зображений періодичний гармонійний сигнал u1(t) і його спектр амплітуд і фаз.

На рис.2.11,а,б,в зображені графіки періодичного сигналу u2(t) - послідовності прямокутних імпульсів та його спектр амплітуд та фаз.

Отже, будь-які сигнали можна певному проміжку часу у вигляді низки Фур'є. Тоді поділ сигналів будемо представляти через параметри сигналів, тобто через амплітуди, частоти і фазові зрушення:

а) сигнали, ряди яких з довільними амплітудами, що не перекривають частотами та довільними фазами поділяються по частоті;

б) сигнали, ряди яких з довільними амплітудами, перекриваються по частоті, але зрушеними по фазі між відповідними складовими рядів поділяються по фазі (фазовий зсув тут пропорційний частоті);

Висока ємність систем зв'язку із складовими сигналами буде показана нижче.

в) сигнали, ряди яких з довільними амплітудами, з складовими перекриваються за частотою (частоти можуть збігатися) і довільними фазами поділяються формою.

Поділ формою – це кодове поділ, як у передавальної і приймальної сторонах є спеціально створені з простих сигналів складні сигнали (зразки).

При прийомі складний сигнал спочатку схильний до кореляційної обробки, а потім

йде обробка простого сигналу.

Поділ частотного ресурсу при множинному доступі

В даний час сигнали можуть передаватися в будь-яких середовищах (в навколишньому просторі, у дроті, волоконно-оптичному кабелі та ін). Для підвищення ефективності частотного спектра, а за одне та лінії передачі утворюють групові канали для передачі сигналів по одній лінії зв'язку. На приймальній стороні відбувається зворотний процес – поділ каналів. Розглянемо використовувані способи поділу каналів:

Рисунок 2.21 Частотний поділ каналів (Frequency Division Multiple Access FDMA)

Рисунок 2.22 Тимчасовий розподіл каналів (Time Division Multiple Access TDMA).

Малюнок 2.23 Кодовий розподіл каналів (Code Division Multiple Access CDMA)

Шифрування у wi-fi мережах

Шифрування даних у бездротових мережах приділяється так багато уваги через самий характер подібних мереж. Дані передаються бездротовим способом, використовуючи радіохвилі, причому у випадку використовуються всеспрямовані антени. Таким чином, дані чують усі – не тільки той, кому вони призначені, а й сусід, який живе за стінкою або «цікавиться», що зупинився з ноутбуком під вікном. Звичайно, відстані, на яких працюють бездротові мережі (без підсилювачів чи спрямованих антен), невеликі – близько 100 метрів в ідеальних умовах. Стіни, дерева та інші перешкоди сильно гасять сигнал, але це все одно не вирішує проблеми.

Спочатку для захисту використовувався лише SSID (ім'я мережі). Але взагалі кажучи, саме захистом такий спосіб можна називати з великою натяжкою – SSID передається у відкритому вигляді і ніхто не заважає зловмиснику його підслухати, а потім підставити у своїх налаштуваннях потрібний. Не кажучи у тому, що (це стосується точок доступу) може бути включений широкомовний режим для SSID, тобто. він примусово розсилатиметься в ефір для всіх, хто слухає.

Тому виникла потреба саме у шифруванні даних. Першим таким стандартом став WEP – Wired Equivalent Privacy. Шифрування здійснюється за допомогою 40 або 104-бітного ключа (потокове шифрування з використанням алгоритму RC4 на статичному ключі). А сам ключ є набір ASCII-символів довжиною 5 (для 40-бітного) або 13 (для 104-бітного ключа) символів. Набір цих символів переводиться в послідовність шістнадцяткових цифр, які є ключем. Драйвера багатьох виробників дозволяють вводити замість набору ASCII-символів безпосередньо шістнадцяткові значення (той самої довжини). Звертаю увагу, що алгоритми перекладу ASCII-послідовності символів у шістнадцяткові значення ключа можуть різнитися у різних виробників. Тому, якщо в мережі використовується різнорідне бездротове обладнання і ніяк не вдається налаштування WEP шифрування з використанням ключа-ASCII-фрази, спробуйте ввести замість неї ключ у шістнадцятковому поданні.

А як же заяви виробників про підтримку 64 та 128-бітного шифрування, запитаєте ви? Все правильно, тут свою роль грає маркетинг - 64 більше 40, а 128 - 104. Реально шифрування даних відбувається з використанням ключа довжиною 40 або 104. Але крім ASCII-фрази (статичної складової ключа) є ще таке поняття, як Initialization Vector - IV - Вектор ініціалізації. Він служить для рандомізації частини ключа, що залишилася. Вектор вибирається випадково і динамічно змінюється під час роботи. У принципі, це розумне рішення, оскільки дозволяє ввести випадкову складову ключа. Довжина вектора дорівнює 24 біт, тому загальна довжина ключа в результаті виходить рівною 64 (40+24) або 128 (104+24) біт.

Все б добре, але алгоритм шифрування (RC4), що використовується, в даний час не є особливо стійким - при великому бажанні, за відносно невеликий час можна підібрати ключ перебором. Але все ж таки головна вразливість WEP пов'язана саме з вектором ініціалізації. Довжина IV становить лише 24 біти. Це дає нам приблизно 16 мільйонів комбінацій – 16 мільйонів різних векторів. Хоча цифра «16 мільйонів» звучить досить переконливо, але у світі все відносно. У реальній роботі всі можливі варіанти ключів будуть використані за проміжок від десяти хвилин до кількох годин (для 40-бітного ключа). Після цього вектора почнуть повторюватися. Зловмиснику варто лише набрати достатню кількість пакетів, просто прослухавши трафік бездротової мережі та знайти ці повтори. Після цього підбір статичної с