¿Cómo puedo estar seguro de que existe un esquema de codificación de múltiples bits por símbolo?

Hay tres elementos de una portadora que puedes modular: la amplitud, la fase y la frecuencia.

Un esquema de modulación digital muy popular utiliza una de las cuatro fases posibles (QPSK). Así que puede transmitir dos bits en cada símbolo.

Otros esquemas de modulación digital de uso frecuente utilizan combinaciones de varias amplitudes y fases. Por ejemplo, 16QAM puede enviar uno entre 16 combinaciones posibles de fase y amplitud. Por lo tanto, cada símbolo de 16QAM puede transmitir cuatro bits.

Existen otras variaciones de modulación digital similares a las mencionadas, como 8PSK o 64QAM, 256QAM, etc.

Para poder decodificar un símbolo de múltiples bits necesita receptores bastante complejos. Por lo tanto, los protocolos de múltiples bits por símbolos necesitan mecanismos para la sincronización de datos, debe analizar la ruta para saber si la SNR es suficiente para diferenciar cada símbolo, etc.

Esto es realmente en pocas palabras, espero que quede claro como introducción.

El número de bits por símbolo no necesita ser un número entero, aunque esto es más conveniente (el más simple de implementar).

En el caso más general, trata su mensaje completo como un gran número binario (base 2). Si su canal tiene N estados (símbolos), simplemente convierta ese número a N básico y transmítalo un dígito a la vez.

En una implementación más práctica, dividiría el mensaje en bloques de longitud fija, convirtiendo y transmitiendo un bloque a la vez, posiblemente agregando bits de detección y corrección de errores adicionales a cada bloque.

Entonces, la respuesta a tu pregunta fundamental es que siempre hay una forma de transmitir datos digitales utilizando un número arbitrario de símbolos.

Las otras respuestas probablemente respondieron a tu solicitud de título. Pero como estudiante e ingeniero joven luché con los conceptos de símbolos contra bits.

  

Si uso más de 2 símbolos para representar los datos binarios, y cada símbolo representa múltiples bits, entonces puedo transferir los mismos N bits de datos efectivos mucho más rápido.

Aquí hay una idea que me llevó mucho tiempo para comprender bien.

Escuche al propio Claude Shannon a las 5:12.

La respuesta fundamental es RUIDO . El universo vibra y hay un "nivel de ruido base" que simplemente no podemos evitar en ningún sistema electrónico .

El ruido es energía no deseada de fuentes naturales (y artificiales). Cada resistencia y todos los componentes activos en su circuito (s) contribuyen a esta energía no deseada en su canal de comunicación.

Cada símbolo en su esquema de codificación tiene una energía de señal específica (medida en julios) relacionada con la potencia y la duración del codificado símbolo que compite con la energía no deseada (ruido) en la misma franja horaria.

Si codifica solo un bit por símbolo, toda la energía en ese símbolo representa ese único bit. Pero, si codifica N estados (log2 (N) bits) en cada símbolo, cada bit obtiene efectivamente solo una parte de la energía del símbolo.

Por otra parte, la energía de ruido de cada bit en un símbolo no se divide . Este es el punto clave que se debe captar. Una forma de verlo es que toda la energía de ruido de cada símbolo lucha contra ese único bit solitario que se codifica en ese símbolo específico. Piense en esto con cuidado: la energía de bits se divide, la energía de ruido no no .

Entonces,amedidaquecodificamásbitsencadasímbolo,efectivamentereducelaproporciónde energía -per-bit / noise-energy-per-bit .

En última instancia, debido solo a la presencia de energía de ruido, cada canal de comunicación con ancho de banda limitado tiene un superior teórico límite de velocidad de bits que es únicamente una función de la energía no deseada (ruido e interferencia) en ese canal.

Parafraseando: Si no fuera por el ruido, disfrutaríamos de velocidades de datos ilimitadas en cada canal de comunicación.

De lo anterior, uno podría sentir intuitivamente que siempre es mejor elegir un símbolo por bit, porque entonces todos la energía de señal en ese símbolo puede asignarse para combatir la energía de ruido en ese símbolo.

Este no es el caso ...

De hecho, lo contrario es cierto, simplemente porque al codificar más bits en cada símbolo, efectivamente permite que la duración del símbolo sea más larga , y por lo tanto la energía por bit decae más lentamente que la ruido-energía por bit hasta alcanzar el límite. Esto se remonta a la visión fundamental de que la energía de la señal en cada símbolo lucha contra la energía del ruido en ese símbolo .

En consecuencia, los esquemas de codificación modernos codifican múltiples bits en cada símbolo, lo que resulta en una duración efectiva del símbolo que es mucho más larga que la duración de un solo bit.

La desventaja de más bits por símbolo es el potencia de procesamiento adicional y complejidad requerida para codificar y decodificar los bits.

El beneficio de una codificación más compleja son los increíbles canales de Internet de alta velocidad que usamos y disfrutamos diariamente en el trabajo, en nuestros hogares y en nuestros teléfonos.

También no olvide GPS y deep space y Viterbi!

Lo que necesitas entender es que no puedes simplemente poner "0" y "1" en la línea. Tienes que codificarlo de alguna manera y eso se llama modulación , que es parte de la capa física de cualquier protocolo.

Entonces, tienes un cable de cobre, o una fibra óptica, o incluso un campo electromagnético y, de alguna manera, tienes que transmitir bits al otro lado. Hay muchas formas de hacerlo, pero se aplican los conceptos básicos: por lo general, tiene una cantidad física real que se puede medir en el otro lado, respectivamente para nuestros casos: nivel de voltaje (o corriente), brillo (para cada luz de onda) y electromagnético poder.

En el lado del transmisor, tiene que "traducir" bits a esas cantidades físicas. Sin embargo, tenga en cuenta que los que mencioné son cantidades continuas: puede "poner" 0, 0.5, 1, 5, 20 voltios entre un par de cables. El lado del receptor verá esas cantidades en el otro lado del par de cables (más pérdidas, interferencias, ruido ...).

De todos modos, piense así: si esas cantidades son continuas, puedo dividirlo para significar estados más discretos. Luego, si 0 voltios significa que el bit 0 y 1 voltio significa el bit 1, puedo obtener 0 voltios para significar los bits 00, luego 0,33 voltios para significar los bits 01, luego 0,67 voltios para significar los bits 10 y 1 voltios para significar bits 11. De esta manera, un solo símbolo , que es una única medición de voltaje, puede significar múltiples bits. Si transmite 1 nivel de voltaje cada 1/1000 de segundo, está transmitiendo 1000 símbolos / s ( velocidad de transmisión ) y 2000 bits / s ( tasa de bits ). Si lo desea, puede seguir dividiendo aún más, hasta el punto en que su receptor se confunda con el ruido y demodule sus bits con errores ( Límite de Shannon ).

Laimagendearriba,porejemplo,tieneunoperadorysellama Amplitude Shift Keying (ASK) y es el equivalente digital de AM (como la radio AM), pero hay muchos otros como FSK , PSK , QAM , PWM , y muchos otros .

Pero, ¿cómo puedo saber que existe un esquema de codificación de múltiples bits por símbolo para un tronco de datos dado?

Leyendo la especificación del protocolo. Esto realmente debería ser obvio.

Tenga en cuenta que necesita saber mucho más sobre un protocolo para comunicarse realmente que solo la velocidad de bits efectiva. Hay problemas de codificación, saber cuándo las palabras, paquetes, etc. se detienen y terminan, cómo se codifican los bits, el ajuste de paquetes y muchos más. Todos estos deben estar detallados en una especificación de protocolo en algún lugar.