Розділ 3
ТЕЛЕВІЗІЙНІ СИГНАЛИ, ПЕРЕДАВАНІ ПО СУПУТНИКОВИХ КАНАЛАХ
Способи модуляції при передачі телевізійної інформації по супутникових каналах
Щоб передавати телевізійну інформацію з супутника, потрібно змінювати або амплітуду, або частоту, або фазу електромагнітної хвилі, що несе, тобто модулювати будь-які (один або два) її параметри відповідно до передаваємої інформації. Для цього застосовуються амплітудна, частотна, фазова, імпульсно-кодова і інші види модуляції.
Амплітудна модуляція. Амплітудна модуляція з однією бічною смугою (AM ОБП - DSB), використовувана в наземних передачах і для передач з супутників була б найбільш прийнятною, оскільки тут відносно економно використовується смуга частот. Проте робота з AM украй невигідна енергетично, - при цьому тільки 5% потужностей використовується на передачу інформації, а останні 95% витрачаються на передачу даремної хвилі, що несе. При роботі з AM ОБП енергетичні співвідношення декілька поліпшуються, оскільки на передачу інформації використовується близько 35% всієї випромінюваної потужності.
На орбіті, як відомо, найважчим і дорожчим є отримання необхідної випромінюваної потужності від бортового передавача супутника. Головна перешкода тут - це обмежені можливості джерела електроенергії, як яке використовуються сонячні батареї, що віддають від 1,5 до 10 кВт електричній потужності, яка витрачається ще на забезпечення "живучості" систем супутника в цілому. Через це потужність передавача супутника не можна зробити як завгодно великий, а із-за втрат на розсіяння при проходженні величезної відстані між супутником і наземними приймальними пристроями, а також із-за втрат в атмосфері Землі, електромагнітна хвиля з супутника настільки слабшає, що у земної поверхні її рівень стає нижчим за природний рівень перешкод і шумів. Ці ослаблення великі в діапазоні частот 10,7...2,7 Ггц і використання AM ОБП енергетично невигідно.
Частотна модуляція. У системах супутникового телевізійного віщання при передачі аналоговим способом застосовується частотна модуляція (ЧМ), тобто при передачі інформації змінюється частота електромагнітної хвилі, що несе, а амплітуда її залишається постійною і потужність передавача при випромінюванні не змінюється. Вона завжди рівна піковою, тоді як при амплітудній модуляції потужність максимальна при випромінюванні не модульованої (даремною) хвилі, що несе, а при передачі інформації (при модуляції несе) зменшується в 3...4 разу. Тому, щоб отримати необхідну корисну еквівалентну потужність при передачі інформації, потужність передавача при випромінюванні електромагнітної хвилі з AM повинна бути в чотири рази вище, ніж при ЧМ. При частотній модуляції:
% при передачах на великі відстані потрібна значно менша потужність, що дуже важливе для бортових передавачів супутника;
% сигнал, що підводиться для передачі, має постійну амплітуду, тому вимоги по забезпеченню лінійності режиму роботи вихідного каскаду виконуються завжди. Більш того, застосування ЧМ дозволяє працювати вихідному каскаду в режимі обмеження, що підвищує його коефіцієнт корисної дії і, тим самим, в цілому к.п.д. всього ретранслятора (транспондера);
% випромінювана передавачем потужність в процесі передачі інформації постійна, не змінюється в часі, тому в місцях прийому зберігається стабільний рівень сигналу, що дуже важливе для ведення прийому з супутників;
% забезпечується менша чутливість до перешкод і шумів за рахунок застосування при передачах корекції як високочастотної, так і низькочастотної і зворотної корекції при прийомі;
% забезпечується значний виграш по відношенню до шумів, завдяки застосуванню на приймальній стороні частотного демодулятора з його S- образною передавальною характеристикою і фільтрів нижчих частот.
І ще, частотна модуляція володіє високою перешкодостійкістю, оскільки перешкоди, що виникають в каналі зв'язку, впливають в основному на амплітуду сигналу, а не на частоту, що дозволяє здійснювати зв'язок при невисокому відношенні сигнал/шум.
Як недолік, слід
зазначити, що при ЧМ несе потрібна досить
широка частотна смуга, Проте для
супутникових каналів при ширині частотної
смуги
=2
7 (36) МГц і що несуть, перевищують 10 ГГц,
цей недолік стає неістотним.
Частотна модуляція була відкрита американським ученим Е.М. Амстронгом в 1936 - 1939 рр. У наукових статтях із цього приводу писалося, що вона має крупні недоліки, оскільки займає ширшу смугу частот, чим AM. З цієї причини ЧМ не знаходила застосування декілька десятиліть. Проте пізніше було встановлено, що при застосуванні частотної корекції при прийомі/передачі і заняттю широкої смуги частот, при ЧМ можна добитися значного зниження шумів і перешкод. В даний час, завдяки своїм перевагам, ЧМ широко використовується:
% у наземних високоякісних стереосистемах звуку;
% у багатьох системах супутникового телевізійного віщання.
Фазова модуляція (ФМ) - це зміна фази несе
електромагнітної хвилі згідно передаваної інформації. При зміні фази змінюється і частота. Оскільки частота визначається швидкістю зміни фази в часі, то ЧМ і ФМ дуже схожі і відрізняються тільки спектром модульованого сигналу. При модуляції чистим (синусоїдальним) сигналом ФМ і ЧМ не помітні. Відмінність полягає в індексі модуляції, який при фазовій модуляції постійний при будь-якій модулюючій частоті, а при ЧМ, як відомо, він приймає різні, миттєві значення, залежні від частоти модулюючого сигналу. Тому всі розглянуті переваги ЧМ при застосуванні фазової модуляції зберігаються.
Слід розрізняти поняття "Фазова модуляція", що часто зустрічаються, і "фазова маніпуляція". Як видно з попереднього під модуляцією розуміється взаємодія двох видів коливань, в результаті якого відбувається інформаційне або енергетичне перетворення сигналу. При цьому здійснюється будь-яка дія на сигнал (лінійне, або нелінійне), у тому числі і дискретне
Окремим випадком модуляції є маніпуляція. Поняття "маніпуляція" охоплює ті випадки дії на початкове коливання, при яких фаза отримує строго певну дискретну зміну. Як правило, модулятор може завжди виконувати функції маніпулятора, а маніпулятор - не завжди, що відображають цей процес. Він має безперервну амплітуду і на осі часу задається безліччю крапок. Прикладами аналогових сигналів служать сигнали від мікрофону, відеосигнали, що підводяться до кінескопа телевізора, відеосигнали від телекамери, сигнали від датчиків температури повітря і тому подібне
Дискретний сигнал має також безперервний вигляд, але на осі часу представлений дискретно. Дискретними сигналами вважаються сигнали від приладів із зарядовим зв'язком, рівні сигналу мініатюрного елементу яскравості телевізійного зображення і подібні. Дискретні сигнали мають обмежене розповсюдження і займають проміжне положення між аналоговими і цифровими сигналами.
Цифрові сигнали представляються на осі часу у вигляді двійкових імпульсних послідовностей, тобто не мають безперервного вигляду. Цифровими сигналами оперують мікропроцесорні пристрої, що запам'ятовують пристрої, регістри, логічні елементи і тому подібне
Перетворення аналогового сигналу в цифровій
У природі і техніці в основному всі процеси в якийсь момент часу протікають безперервно і можуть бути представлені аналоговими сигналами. З іншого боку, цифрові сигнали зручніші для обробки і широко поширеніші в техніці.
Будь-який аналоговий сигнал може бути перетворений в цифровій. Це реалізується послідовним виконанням наступних операцій: дискретизацією аналогового сигналу -» квантуванням (розподілом) його дискретних значень по рівнях (кодам) -» освітою з кодових значень цифрових слів—» формуванням цифрової коди з сукупності цифрових слів.
Дискретизація. Для перетворення аналогового сигналу в цифрову форму через дискретні проміжки (тимчасові, просторові і тому подібне) проводять відлік його значень і отримують сукупність послідовних дискретних числових значень, наприклад таких: 0; 0,23; 0,42; 0,57; 0,80; 1,05; 3,0, званих відліками або вибірками (мал. 3.1).
Процес набуття послідовних числових дискретних значень аналогового сигналу через певні дискретні тимчасові або просторові проміжки називається дискретизацією.
Оскільки значення відліків виражаються цифрами, то процес часто називають оцифруванням аналогового сигналу
Мал. 3.1. Аналоговий і дискретний сигнали смуги зростаючої яскравості і їх уявлення на просторовій осі через відліки
Очевидно, ніж менші проміжки між відліками, тобто ніж менший крок дискретизації, тим точніше оцифрування аналогового сигналу.
Квантування (від латинського quantum - скільки). Квантування аналогового сигналу широко використовується в обчислювальній техніці і техніці зв'язку. Квантуються сигнали, процеси і тому подібне по рівнях енергії, напрямі і швидкості руху (вектора руху). Розрізняють амплітудно-просторове і амплітудно-тимчасове квантування, квантування спектру частот сигналу по амплітуді і тому подібне У загальному випадку процес квантування розуміється як представлення аналогового сигналу певними кодами. Кількість код відображає кількість рівнів квантування. Квантування аналогового сигналу нерозривно пов'язане з його дискретизацією, оскільки по рівнях квантування розподіляються числові значення відліків, отримані в процесі дискретизації. При дискретизації аналогового сигналу числові значення відліків можуть виходити як цілими, так і дробами. Переклад їх на фіксовані рівні, звані рівнями квантування, пов'язаний з втратою деякої точності. Реальні числові значення відліків не завжди співпадають з числовими значеннями рівнів квантування, що приводить до систематичних помилок, що заздалегідь допускаються, так званих помилок квантування.
Мал. 3. 2. Процес квантування аналогової величини (сигналу)
Наприклад, отримана в результаті дискретизація значення відліків 0,42 і 0,57 можуть представлятися при квантуванні на рівні, значення, що мають відповідно, 0,4 і 0,6. Неточність або помилка очевидна. Помилка квантування - це діапазон зміни числових значень відліку, при якому його кодова комбінація ще не набуває іншого значення, а залишається постійною.
Процес квантування представлений на мал. 3.2. На горизонтальній осі відкладені числові, реальні значення відліків, які потім переводяться в числові значення рівнів, і яким привласнені певні коди. Для зменшення помилки квантування передавальна характеристика зміщується на - 0,5 цін молодшого розряду.
З малюнка видно, що діапазон помилки квантування складає ±0,5 кроку дискретизації. Тому для отримання високої точності перетворення задають малі (або часті) кроки дискретизації і малі (часті) рівні квантування. Наприклад, якщо раніше вважалося достатнім квантувати відеосигнал на 256 рівнів, то в даний час в студійних передачах для підвищення чіткості він квантується на 1024 рівні (або перетворюється в 1024 кодових комбінації).
Аналоговий сигнал після квантування є сукупністю код, кількість яких відповідає кількості рівнів квантування і визначається виразом:
n = 2N (3.2)
де N - число рівнів (розрядів) коди.
Для передачі код прочитується тактовим імпульсом і утворює певну послідовність імпульсів на тимчасовій осі, яка називається цифровим словом (її ще називають кодовим
словом).
Процес зчитування код і формування кодових (цифрових) слів називається імпульсно-кодовою модуляцією (ІКМ).
Двійковий код. Кодові комбінації рівнів (коди) задаються в основному в двійковій системі числення (системі числення з підставою 2), тобто в системі, в якій використовуються тільки два рівно ймовірних і можливих стани, - 1 або 0, що в електричних ланцюгах відповідає стану включено або вимкнене. Тому, електронні логічні схеми, що працюють за принципом включено/виключено, найкращим чином підходять для віддзеркалення операцій, що виконуються в двійковій системі числення.
Можливість появи однієї з двох рівно ймовірних станів, тобто коли подія може відбутися або його, не може бути (1 або 0) носить назву одиниці інформації - битий
Битий - це мінімальна кількість інформації, яка розрізняється і сприймається цифровою системою. Біт є фундаментальною одиницею в теорії інформації. Щоб забезпечити можливість швидкого раціонального кодування таких даних як числа і букви, використовується крупніша одиниця - байт, що складається з 8 битий (28). Очевидно, що за допомогою одного байта можна відобразити 256 рівнів сигналу яскравості або 256 знаків буквеного шрифту. Один кілобайт це 1024 байти, один мегабайт -1048576 байт.
На практиці здійснюють дискретизацію і квантування одночасно. В більшості випадків для цього використовується аналогово-цифровий перетворювач (АЦП) послідовних наближень, як найбільш популярний, такий, що має високу точність і високу швидкість перетворення. На мал. 3.3 показана його структурна схема. У ній в ланцюг зворотного зв'язку включений ЦАП - цифро-аналоговий перетворювач. На входи компаратора подаються дві напруга: оброблюваного аналогового сигналу і аналогова напруга, що лінійно змінюється, від ЦАП. Компаратор порівнює величину напруги цифро-аналогового перетворювача з напругою аналогового сигналу, що подається на вхід компаратора. Якщо аналогову напругу перевищує напруга ЦАП, то на виході компаратора з'являється 1 і схема І вирішує проходження
тактових імпульсів на вхід двійково-десяткового лічильника. Лічильник підраховує імпульси і поступово збільшує двійкове число на виході.
Рахунок і збільшення двійкового числа продовжується до тих пір, поки напругу зворотного зв'язку (напруга з ЦАП) не перевищить напруга на вході компаратора. Тоді на виході компаратора з'являється 0 і рахунок зупиняється. На виході лічильника встановлюється вихідний код, значення якого відповідає числовому значенню відліку. Такий АЦП перетворює аналоговий сигнал в цифрові слова безпосередньо. У цій схемі виділити окремо дискретизатор неможливо.
Робота дискретизатора на накопичувальному конденсаторі розглянута на мал. 3.4. У нім для отримання багаторозрядні коди дискретизацію виконують, як правило, в два етапи. Спочатку при дискретизації проводяться відліки числових значень сигналу. Потім набутих значень відліків квантуються по рівню. При подачі тактового імпульсу на вхід аналогового ключа він відкривається і відбувається зарядка конденсатора до амплітудного значення вхідного сигналу. Після закінчення тактового імпульсу вхідний сигнал відключається від конденсатора, на якому фіксується амплітудна напруга аналогового сигналу у момент закінчення дії тактового імпульсу. До цього часу і відносять його значення відліку і перший етап закінчується. Потім відлік подається на квантователь, який визначає його на відповідний рівень. У проміжках між тактовими імпульсами дискретизатор зберігає значення попереднього відліку. З приходом нового тактового імпульсу відбувається списування попереднього відліку (відбувається розрядка конденсатора) і цикл повторюється з кожним тактом імпульсу синхронізації, а код прочитується тактовим імпульсом в послідовність імпульсів, що представляють цифрове (кодове) слово.
Мал. 3.4. Схема дискретизації аналогового сигналу
Цифрові (кодові) слова. При зчитуванні тактовим імпульсом коди, еквівалентної відліку, отримують цифрове слово, яке може передаватися послідовним (мал. 3.5) або паралельним (мал. 3.6) способом.
Цифрове слово - це певна сукупність битий, що відображає результат одиничного відліку при дискретизації і представляється на тимчасовій осі певною послідовністю імпульсів.
Для передачі цифрового слова послідовним способом в N біт потрібний N тактів синхронізації, що знижує швидкість передачі інформації. Гідністю є те, що для його передачі потрібна одно-провідна лінія і один загальний дріт. Слід зазначити, що цифрова інформація по супутниковому каналу передається послідовним способом, так само як по одно - провідної лінії.
Для отримання високої швидкості в комп'ютерних системах застосовується в основному паралельний спосіб: інформація передається бітами паралельно, а слова передаються послідовно з кожним тактом синхронізації.
Мал. 3.5. Структура цифрового слова,
передаваного послідовним способом
Мал. 3.6. Структура 8-бітових слів передаваних по паралельній шині-шлейфу при тактах синхронізації
Цифрові слова можуть формуватися як 8-и, так і 10-и, 16-и і 32-х бітовими (розрядними) словами. Сучасні комп'ютери оперують в основному 32 бітовими словами. Передача таких слів паралельним способом здійснюється по 32 каналам (проводам) - шині (шлейфу).
Цифрові коди. Одне або безліч цифрових слів утворюють цифровий код, тому ці слова називають і кодовими. Цифровий код дає можливість представити аналоговий сигнал в цифровому вигляді.
Цифровий код - це однозначне відображення суми безлічі цифрових слів, що зберігають незмінними свої основні особливості -структуру, частоту проходження і тому подібне
Цифрових код різних видів використовуваних для обробки інформації множина і кожен має свої достоїнства і певне призначення. Це і код Хеммінга, і код Хаффмана, що часто зустрічається, і код Рида-Соломона, згортальні коди і тому подібне Вони підрозділяються на дві великі групи: на коди кодування джерела інформації і на коди кодування передаваних (по каналу зв'язку) даних або просто коди кодування каналу.
Коди кодування джерела інформації
Код Хаффмана і деякі інші коди, наприклад, код LZW, дозволяють представити оброблювану інформацію без втрат в цифровому вигляді меншою кількістю битий. Вони направлені на використання найбільш економного способу уявлення в цифровому вигляді аналогової інформації. Ці коди відносяться до кодів кодування джерела інформації: числового значення відліку відеосигналу, що безпосередньо набуває, звукового сигналу і тому подібне
Код Хаффмана. При кодуванні по Хаффману12 насамперед аналізується інформація, що міститься в повідомленні, визначається вірогідність появи в нім певних символів. Потім всі символи розташовуються в порядку убування появи їх вірогідності. Символи з великою вірогідністю появи кодуються мінімальною кількістю битий (коротким словом), а символи з малою вірогідністю появи - великою кількістю битий (довгим цифровим словом, якщо слова меншої довжини вже використані). Основне завдання - використовувати для передачі повідомлення можлива менша кількість битий за рахунок надання найбільш вірогідних символів цифровими словами найменшої довжини, а менш вірогідних - цифровими словами більшої довжини. Тому кодом Хаффмана є сукупність цифрових слів змінної довжини. Наприклад, в текстах російською мовою найчастіше зустрічаються букви Р, Про, І, Е, П. Для збільшення швидкості передачі тексту (інформації) вони кодуються дуже коротким цифровим словом - одним або двома бітами в 8-бітовому слові. Букви, що менш зустрічаються, такі як Ь. Ъ, Ф і так далі кодуються великою кількістю битий - довшим словом. Код Хаффмана володіє властивістю префексности, тобто кінець одного його слова не є початком наступного цифрового слова, що дозволяє обійтися без роздільників між словами. Слід зазначити, що кодування по Хаффману не ефективно, якщо значення елементів в повідомленні розподілені статистично рівномірно, чого при передачі чорно-білих зображень практично не буває.
Метод кодування по Хаффману припускає, що в звичайних масивах передаваної інформації можна виявити багато надмірною або не раціонально закодованою інформації. Якщо окремі знаки, наприклад, букви, цифри, елементи яскравості зображення, зустрічаються з різною частотою, тоді вони можуть бути закодовані дуже ефективно по Хаффману.
Коди кодування даних каналу
Отримані при кодуванні кодом Хаффмана або іншими подібними кодами повідомлення в стислій економній цифровій формі дуже чутливі до дії перешкод, які можуть привести до втрати цілих блоків кодованої інформації. Тому існують такі коди, як коди Хеммінга, Рида-Соломона, згортальні коди і тому подібне, що дозволяють підвищити перешкодостійкість передавальної цифрової інформації по каналу прийому/передачі, що дуже важливе. Ці коди відносяться до іншої великої групи код до кодів кодування даних каналу.
Код Хеммінга. Кодування даних каналу вимагає вносити до передавальних інформаційних слів деяку надмірну кількість битий, але не випадкове, а строго закономірне, теоретично обґрунтоване , яке гарантує необхідну перешкодостійкість при передачі. Найпростіше і ефективно реалізується це способом контролю на парність (або непарність), при якому забезпечується постійна перевірка правильності передавальної інформації, і який є основою коди Хеммінга.
При даному способі контролю цифрове слово містить певна кількість інформаційних біт, що обробляються в паралельному вигляді, а потім для передачі перетворюваних в послідовний вигляд. Крім того, формується інформаційними бітами (можливо і не всіма, а тільки частиною, найбільш важливими, в даному прикладі - непарною кількістю) і додатково разом з ними передається контрольний біт (паритетний, що означає рівнозначний), доповнюючий число одиниць в передавальному слові до парної кількості. Принцип формування контрольного біта і схеми контролю на парність показані на мал. 3.7.
Таблиця 3.1
Входи |
Вихід |
||
Інформаційні біти |
Контрольні біти |
||
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
Передаване цифрове слово за відсутності помилки містить парне число "одиниць" |
|||
Мал. 3.7. Принцип побудови схеми контролю
на парність (варіант для трьохбітового
слова)