2 Преобразование, кодировка и передача информации Семенов ю.А. (гнц итэф)

Номер раздела	Название раздела	Объем в страницах	Объем в кбайт
2.1	Передача сигналов по линиям связи	8	6
2.2	Представление электрических сигналов в цифровой форме	9	7
2.3	Цифровые каналы T1 и Е1	2	1
2.4	Методы преобразования и передачи звуковых сигналов	6	5
2.5	Методы преобразования и передачи изображения	23	120
2.6	Методы сжатия информации	3	3
2.7	Обнаружение ошибок	2	2
2.8	Коррекция ошибок	17	56
2.9	Видеоконференции по каналам Интернет и ISDN	8	97
2.10	Статистическая теория каналов связи	10	145
Итого		88	442

Передача данных уже на самых ранних этапах использовала цифровые подходы (например, коды Бодо). Понятно, что, когда информация предназначена непосредственно для человека, она должна быть соответствующим образом преобразована. Это, прежде всего, относится к передаче голоса. По каналам связи передаются, как правило, модулированные сигналы. Несущая частота передачи, например, при трансляции по радиоканалу на порядки превосходит частоты голосового сигнала. Модуляция позволяет решить проблему согласования частот. Но следует иметь в виду, что модуляция используется не только в радиоканалах. Современные цифровые методы передачи также немыслимы без применения модуляции.

Человек - аналоговое устройство с точки зрения средств коммуникаций, которыми он располагает. Элементы цифровой техники можно обнаружить лишь на глазном дне.

Существует множество различных видов модуляции. Исторически первыми появились аналоговые способы модуляции: амплитудная, частотная, фазовая и различные их комбинации. Это было связано с технологической простотой их реализации. Цифровые методы стали использоваться лишь около 50-лет назад.

Для передачи информации на большие расстояния в настоящее время используются исключительно электромагнитные волны (акустические волны пригодны лишь для ограниченных расстояний). При этом пересылка может осуществляться по медным проводам, оптоволоконному кабелю или непосредственно, по схеме передатчик-приемник. В последнем случае используются антенны. Для того чтобы антенна была эффективна, ее размеры должны быть сравнимы с длиной передаваемой волны. Чем шире динамический диапазон передаваемых частот, тем труднее сделать антенну, пригодную для решения этой задачи. Именно по этой причине для передачи используются частоты, начиная с многих сотен килогерц и выше (длина волн сотни метров и меньше). Передача сигнала непосредственно по лучу лазера ограничена расстояниями 100-3000м и становится неустойчивой при наличии осадков даже для инфракрасных длин волн. Между тем человек воспринимает акустические колебания в диапазоне 20-12000 Гц и для целей пересылки звука (например, телефония) требуется именно этот диапазон частот. Динамический диапазон частот в этом случае равен 600, а для высококачественного воспроизведения звука он в два раза шире. При решении этой проблемы используется преобразование частот и различные методы модуляции. Так тот же частотный диапазон, лежащий в пределах (100 - 100,012) Мгц, соответствует динамическому диапазону 0,012%, что позволяет сделать компактную антенну и упростить частотное выделение сигнала.

Для преобразования частот используется перемножение сигналов. Пусть мы имеем два синусоидальных сигнала:

A₁*sin(_ t) и A₂*sin( _t). Из тригонометрии известно, что:

A₁*sin( _t)*A₂*sin( _ t)=1/2*A₁*A₂*[sin( __t + sin( __t]. [1.1]

Это означает, что в результате перемножения вместо двух частот f₁=_ и f₂= _ мы имеем две новые частоты (__ и (__ с амплитудой 1/2*A₁*A₂. Если входной сигнал имеет полосу 0 - f_м, то после перемножения с сигналом, имеющим частоту f_н (несущая частота), получим сигнал с полосой в интервале от (f_н - f_м) до (f_н+f_м). Это преобразование проиллюстрировано на рис. 2.1. (по вертикальной оси отложена спектральная плотность сигнала f(j )). На практике это преобразование выполняется с помощью смесителей или гетеродинов, частота f_н называется сигналом гетеродина или несущей.

Рис. 2.1. Частотное преобразование

Получение исходного сигнала из преобразованного достигается путем обратного преобразования, которое сводится к умножению полученного сигнала на sin(_нt), где _н = 2 *f_н. При таком обратном преобразовании мы получим сигнал с исходным частотным диапазоном. Помимо этого будет получен сигнал с полосой от (2f_н - f_м) до (2f_н+ f_м). Так как f_н обычно много больше f_м, серьезных проблем это не вызывает - достаточно воспользоваться соответствующим фильтром. Этому методу обратного преобразования присущи некоторые недостатки. Если сигнал f_н имеет фазовый сдвиг  по отношению к тому, что имел сигнал, использованный при прямом преобразовании, то амплитуда выходного сигнала будет пропорциональна cos Понятно, что при вариации фазы амплитуда будет меняться, а при /2 станет нулевой. По этой причине должны быть предприняты специальные меры для синхронизации этих сигналов (f_н. передатчика и f_н приемника).

Синхронизация передатчика и приемника в каналах коммуникаций является одной из важнейших задач.

Соотношение [1.1] используется при реализации амплитудной, частотной или фазовой модуляции. Так в случае амплитудной модуляции при временной вариации A₁ (=А_вх) будет изменяться и амплитуда выходного сигнала (А₂=A_н - амплитуда несущей частоты при этом остается постоянной; _ _н при этом может также варьироваться). Форма сигнала на выходе такого преобразователя имеет вид: А_вых = А_н[1+А_вх(t)] sin _нt. Для получения формы исходного сигнала на принимающей стороне используется схема детектора (например, диодного), на выходе которого получается сигнал, пропорциональный модулю огибающей функции входного сигнала. Существуют и другие методы демодуляции амплитудно-модулированного сигнала. Главным недостатком метода амплитудной модуляции является возможность нелинейных искажений из-за перемодуляции (когда амплитуда модулирующего сигнала слишком велика).

При частотной и фазовой модуляции амплитуда передаваемого сигнала остается почти постоянной, что исключает нелинейные искажения, связанные с широким динамическим амплитудным диапазоном. Выходной сигнал для этого вида модуляции имеет вид: А_вых = А_н sin[_нt + (t)], где (t) зависит от формы преобразуемого входного сигнала. Часто используется комбинация амплитудной и фазовой модуляции, которая носит название квадратурной модуляции.

Системы передачи данных с амплитудной или частотной модуляцией являются аналоговыми системами и по этой причине весьма чувствительны к шумам на входе приемника. Применение цифровых методов пересылки информации увеличивает вероятность корректной доставки. Если для аналоговой передачи требуется отношение сигнал/шум на уровне 40-60 дБ, то при цифровой передаче достаточно 10-12 дБ. Выбор типа модуляции зависит от стоящей задачи и от характеристик канала (полосы пропускания, ослабления сигнала и т.д.). Частотная модуляция менее чувствительна к амплитудным флуктуациям сигнала. Ослабление сигнала может варьироваться во времени из-за изменений в транспортной среде, это довольно типично для коммутируемых телефонных сетей. В сетях, использующих выделенные каналы, это также возможно благодаря применению динамических протоколов маршрутизации, когда длина пути может изменяться в пределах одного сеанса связи. В любом случае на передающей стороне необходим модулятор, а на принимающей демодулятор. Так как обмен обычно двунаправлен, эти устройства объединяются в одном приборе, который называется модемом (см. также раздел “4.3.7. Модемы").

В модемах применимы несколько видов модуляции:

FSK	(Frequency Shift Keying) - ступенчатое переключение частоты синусоидального сигнала от f1 к f2 при неизменной амплитуде, частоте f1 ставится в соответствие логический нуль, а f2 - логическая единица.
BPSK	(Binary Phase-Shift Keying) - скачкообразное переключение фазы синусоидального сигнала на  при неизменной амплитуде, при этом фазе 0 ставится в соответствие логический нуль, а - логическая единица.
DPSK	(Differential Phase Shift Keying) - метод, при котором изменяется фаза несущей частоты при постоянной амплитуде и частоте. Разновидность PSK, при которой кодируется лишь изменение сигнала.
QAM	(Quadrature Amplitude Modulation) - комбинация амплитудной и фазовой модуляции, позволяет осуществить кодирование 8 бит на бод.
QPSK	(Quadrature Phase-Shift Keying) - квадратурная фазовая модуляция. Использует 4 фиксированных значения фазы 0, /2,  и 3/2. Требует в два раза более узкую полосу, чем PSK, и по этой причине весьма популярна.
TCM	(Trellis Coded Modulation) - метод предполагает использование избыточности, каждый бод несет дополнительный бит, который позволяет более точно восстановить информационную битовую последовательность. При кодировании сигнала используется метод QAM. Метод реализован в современных высокоскоростных модемах и позволяет снизить требования к отношению сигнал/шум на 4-5 дБ.

В QAM-модуляции используется 8/16 комбинаций амплитуда-фаза (см. рис. 2.2). Понятно, что такой тип модуляции более уязвим для шумов.

Рис. 2.2. QAM-модуляция с 3 битами на бод (слева) и 4 битами на бод (справа)

Если имеется N субъектов, которые хотят осуществлять обмен информацией в одном и том же частотном диапазоне, они должны осуществлять обмен по очереди (метод мультиплексирования по времени - TDM) или передаваемые ими сигналы должны отличаться каким-то еще параметром помимо частоты (например, амплитудой или направлением излучения). Если это условие не выполнено, весьма вероятно искажение данных при доставке. Вы наверняка сталкивались с этим, когда за столом пытаются говорить сразу несколько человек.

Передаваемый сигнал характеризуется большим числом параметров - частотой, фазой, амплитудой, параметрами, определяющими его пространственное распространение, уровнем шума и т.д. В случае использования широкополосного сигнала, который представляет собой суперпозицию определенного числа синусоидальных составляющих, число параметров пропорционально возрастает. Чем больше таких параметров анализируется принимающей стороной одновременно, тем большее отношение сигнал-шум может быть достигнуто.

Будущее за системами, анализирующими всю совокупность параметров входного сигнала. Современные мощные и относительно дешевые сигнальные процессоры создают технологическую базу для этого.

Впервые импульсно-кодовая модуляция (ИКМ) была применена для голосового сигнала в 1937 году Алеком Ривсом. Это было сделано для преодоления проблемы накопления искажений и шумов в процессе ретрансляции аналоговых сигналов. Тогда впервые было применено стробирование с частотой 8кГц при 8-битовом аналого-цифровом преобразовании (АЦП). В то время еще не существовало эффективных технологических средств для реализации такой схемы.