Лекция 7

Тема. МЕТОДЫ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ СИГНАЛОВ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ

Цель. Дать понятие о представлении цифрового сигнала.

1. Учебная. Разъяснить процесс формирования и представления цифрового сигнала.

2. Развивающая. Развивать логическое мышление и естественное - научное мировоззрение.

3. Воспитательная. Воспитывать интерес к научным достижениям и открытиям в отрасли телекоммуникации.

Межпредметные связи:

• Обеспечивающие: информатика, математика, вычислительная техника и МП, системы программирования.

• Обеспечиваемые: Стажерская практика

Методическое обеспечение и оборудование:

1. Методическая разработка к занятию.

2. Учебный план.

3. Учебная программа

4. Рабочая программа.

5. Инструктаж по технике безопасности.

Технические средства обучения: персональный компьютер.

Обеспечение рабочих мест:

• Рабочие тетради

Ход лекции.

1. Организационный момент.

2. Анализ и проверка домашней работы

3. Ответьте на вопросы:

1. Как выстраивается иерархия приоритетов в технологии современной связи?

2. Опишите почему нормирование параметров качества является основой зако­нодательного регулирования в современной связи и гарантией работоспособности сетей?

3. В чем отличие нормирования от эксплуатационных измерений?

4. Что предусматривает технологический подход к измерениям?

5. Приведите алгоритм изучения измерительной технологии. Как происходит разбиение по уровням детализации?

6. Кто несет ответственность за выбор методики измерения?

План лекции

1. Особенности представления цифровых сигналов.Методы представления сигналов в виде диаграмм

2. Глазковые диаграммы

3. Диаграммы состояний

4. Алгоритмические диаграммы - диаграмма Треллиса и древовидная диаграмма

1. Особенности представления цифровых сигналов.Методы представления сигналов в виде диаграмм

Отличие цифровых сигналов от аналоговых заключается в их дискретной структуре. Если параметры аналоговых сигналов меняются в используемом диапазоне непрерывно, то параметры цифровых сигналов изменяются дискретно, в этом со­стоит основное отличие цифровых сигналов от аналоговых. Такая особенность цифровых сигналов позволяет использовать для их анализа ряд специфических методов.

Помимо достаточно хорошо известных методов измерения аналоговых сигналов с ис­пользованием осциллограмм и спектрального анализа, в методологии измерений цифровых сигналов широкое распространение получили специальные диаграммы, что определяется дискретной природой сигналов. При проведении измерений используются два основных класса диаграмм:

1. диаграммы физических параметров цифрового сигнала, к которым относят­ся глазковые диаграммы

2. диаграммы состояний, а также алгоритмические диаграммы, к которым относятся древовидные диаграммы и различные виды диаграмм Треллиса.

Диаграммы физических параметров используются для анализа как простых бинарных цифровых сигналов, так и сложных сигналов современных цифровых телекоммуникаций— многоуровневых (таких как сигналы линейного кодирования ISDN (ISDN (англ. Integrated Services Digital Network) — цифровая сеть с интеграцией служб. Позволяет совместить услуги телефонной связи и обмена данными. Основное назначение ISDN — передача данных со скоростью до 64 кбит/с по абонентской проводной линии и обеспечение интегрированных телекоммуникационных услуг (телефон,факс, и пр.). Использование для этой цели телефонных проводов имеет два преимущества: они уже существуют и могут использоваться для подачи питания на терминальное оборудование.) и модулированных сигналов (применяемых в радиочастотных системах передачи и системах радиосвязи)

Алгоритмические диаграммы используются для анализа сигналов дифференциальных модуляций и современных алгоритмов кодирования информации.

2. Глазковые диаграммы

Для анализа параметров цифрового сигнала часто используются глазковые диаграммы, как при проведении лабораторных измерений (системное оборудование), так и эксплуатаци­онных По своей структуре глазковые диаграммы являются модификацией осциллограмм, с той только разницей, что используют периодическую структуру цифрового сигнала

Для построения двухуровневой глазковой диаграммы (рис1) цифровой (битовый) поток подается на осциллограф, в то время как синхронизация внешней развертки производится от битового потока с частотой f_b. При построении многоуровневых диаграмм сигнал должен про­ходить через многоуровневый конвертер, а синхронизация производится от символьного пото­ка с частотой f_s. Для калибровки глазковой диаграммы сигнал часто подают в обход фильтра, ограничивающего диапазон сигнала. В этом случае возникает диаграмма в виде прямоугольни­ка (рис 2, слева). Фильтр, ограничивающий полосу передаваемого сигнала, вносит сущест­венные изменения в форму импульса, в результате чего возникает диаграмма в виде "стандарт­ного глаза" (на рис.2, справа - "бинарный глаз") Глазковые диаграммы используют перио­дическую структуру цифрового сигнала. За счет внешней синхронизации развертки получае­мые осциллограммы волнового фронта сигнала накладываются друг на друга с периодом одно­го отсчета. В результате проведения измерений с накоплением получается глазковая диаграм­ма, на которую по оси Y откладывается амплитуда сигналов по уровням (рис 3)

Рис. 1. Построение глазковой диаграммы

Процесс формирования диаграммы цифрового бинарного сигнала без фильтрации и с фильтрацией на передаваемую полосу (рис. 2) позволяет реально продемонстрировать ме­ханизм формирования глазковой диаграммы. Реальная осциллограмма сигнала (например, двухуровневого цифрового сигнала) "разрезается" посимвольно в соответствии с тактовыми импульсами синхронизирующего генератора, а затем глазковая диаграмма "складывается" из полученных кусков. В идеальном случае при отсутствии цепей фильтрации в результате та­кого сложения получится квадрат ("квадратный глаз", представлен на рисунке внизу слева). Однако глазковая диаграмма реального сигнала значительно отличается от квадрата, по­скольку содержит составляющие нарастания фронта и спада фронта сигнала, прямоугольный импульс имеет форму колокола. В результате получится диаграмма, более похожая на глаз (на рисунке внизу справа).

Рис. 2. Глазковая диаграмма сигналов без фильтрации и с фильтрацией

Исследование глазковых диаграмм позволяет провести детальный анализ цифрового сиг­нала по параметрам, непосредственно связанным с формой волнового фронта: параметру меж­символьной интерференции (ISI), джиттеру (Джи́ттер (англ. jitter — дрожание) или фазовое дрожание цифрового сигнала данных^[1]  — нежелательные фазовые и/или частотные случайные отклонения передаваемого сигнала. Возникают вследствие нестабильности задающего генератора, изменений параметров линии передачи во времени и различной скорости распространения частотных составляющих одного и того же сигнала.) передачи данных и джиттеру по синхронизации.

Пример глазковой диаграммы представлен на рис. 3 (компьютерная имитация). Трасса двухуровневого сигнала на глазковой диаграмме в точках времени, соответствующих точкам отсчета, проходит точно через нормированные значения +1 и -1, следовательно ISI (межсим­вольная интерференция) на рисунке отсутствует. В то же время различные трассы пересека­ются с временной осью в разные временные промежутки. Максимальная ширина области пересечения с временной осью определяется как пиковое фазовое дрожание или джиттер передачи данных D_jpp, Джиттер передачи данных измеряется обычно в единицах времени или как отношение к интервалу передачи символа Dj_PP/T_s. Пиковый джиттер, представленный на рисунке, составляет 35%. Следует отметить, что джиттер передачи данных является следст­вием ограниченной полосы каналов. Например, расчет показывает, что для фильтра с коэф­фициентом ограничения спектра а=0,2 джиттер передачи данных составляет уже 48%, т.е. чем меньше коэффициент ограничения спектра (альфа-фактор) канала, тем больше джиттер передачи данных. Сам по себе джиттер передачи данных является следствием объективных процессов преобразования сигналов и деградации качества связи не вызывает. Однако его комбинация с джиттером по синхронизации или постоянным сдвигом частоты передачи мо­жет привести к существенным нарушениям качества.

Рис. 3. Глазковая диаграмма цифрового сигнала, проходящего через фильтр с коэффициентом ограничения спектра а=0,3 (компьютерная имитация)

Пример 1.

В качестве иллюстрации воздействия джиттера по системе синхронизации на модулированный сигнал рассмотрим глазковую диаграмму модема с модуляцией 64 QAM, широко применяемой в радио­частотных системах передачи (рис. 4).

Рис.4. Глазковая диаграмма (компьютерная имитация) модулированного сигнала 64 QAM, а=0,2, джиттер по синхронизации 6 %

Предположим, что уровень джиттера по системе синхронизации C_Jpp =6% относительно перио­да сдвига символа T_s. Далее предположим уровень идеального сигнала равным 100 мВ. Тогда, как видно из рис. 4, наличие джиттера в системе синхронизации приводит к уменьшению интервала разрешения до 70 мВ. Это фактически эквивалентно деградации производительности системы на 3 дБ, что уже существенно. Добавим, что в предлагаемой на рис. 4 компьютерной имитации использовался фильтр с коэффициентом ограничения а = 0,2. Более узкополосные сигналы, имеющие меньший фактор сгла­живания, оказываются более чувствительными к джиттеру по синхронизации. Наиболее же чувстви­тельными являются многоуровневые системы (например, системы с модуляцией 64 или 256 QAM).