Конспект Часть 1 - 5 Сорока / часть 5

ВВЕДЕНИЕ

В связи с бурным развитием микроэлектронной и вычислительной техники цифровые системы передачи информации находят широкое применение в решении самых различных задач связи(рис. В.1), телеметрии и телеуправления [15]. Особо важное значение такие системы приобрели в таких областях, как передача данных, космическая связь и управление, структурные схемы которых приведены в [15].

Специфика различных областей применения систем передачи цифровой информации существенно различного подхода к реализации таких систем. Система передачи данных по телефонным каналам совершенно не похожа не систему космической связи или на цифровую систему тропосферной связи ни по техническому исполнению, ни по параметрам. Однако в принципах построения и назначения отдельных устройств самых разных систем много -об щего. Это дает возможность рассматривать цифровые системы передачи -ин формации с общих позиций, отвлекаясь от специфики их применения и конкретных условий. Такой подход позволяет выяснить ряд важных положений, характерных для любой системы передачи цифровой информации.

Любая современная система передачи дискретной информации состоит из источника информации, осуществляющего первичное кодирование и модуляцию, приемника информации, выполняющего соответственно обратные операции (демодуляцию и декодирование), и канала связи, по которому передаются сигналы от источника к приемнику информации.

Обобщенная структурная система передачи дискретной информации (СПДИ) однонаправленного действия (рис. В.2) состоит из оконечного оборудования, выполняющего функции отправителя (источник информации) и получателя (приемник информации) сообщений, устройства защиты от ошибок (УЗО), устройства преобразования сигналов (УПС) и канала связи (КС). В УЗО происходит кодирование (декодирование) информации. УПС осуществляет преобразование сигналов данных в форму, удобную для передачи по каналу связи, а устройство сопряжения (УС) обеспечивает обмен информационными

иуправляющими сигналами между СПДИ и устройством оконечной обработке данных (ООД). Координация взаимодействия составных частей СПДИ обеспечивается специальными импульсами, вырабатываемыми устройством управления (УУ). Совокупность непрерывного канала с включенными на его входе

ивыходе УПС называют дискретным каналом передачи данных, а объединение его с УЗО – защищенным от ошибок каналом (ЗКПД). Для обмена информацией между абонентами используются две однонаправленные СПДИ, которые конструктивно могут быть выполнены в виде одной дуплексной СПДИ.

Вкаждом канале передачи информации действуют внешние и внутренние помехи, искажающие кодовые комбинации (сообщение) (рис. В.3). Как видно из рисунка основные искажения сигнала вызываются затуханием, ограниченностью полосы пропускания, задержкой и шумами.

3

Так как мощность выходного сигнала среды передачи без промежуточных усилителей всегда меньше, чем мощность выходного сигнала, затухание среды передачи всегда является отрицательной величиной.

Под полосой пропускания понимается непрерывный диапазон частот, для которого отношение амплитуды выходного сигнала ко входному превышает некоторый заранее заданный предел, обычно 0,5; т.е. полоса пропускания определяет диапазон частот синусоидального сигнала, при которых этот сигнал передается по каналу связи без значительных искажений.

Так как любой дискретный сигнал состоит из компонент различной частоты, то на вход приемного устройства поступают только те компоненты, частота которых находится внутри полосы пропускания. Ограниченность полосы пропускания приводит к частотным искажениям сигнала. Известно, что амплитуда каждой из частотных гармоник снижается с ростом частоты. Поэтому, чем шире полоса пропускания среды передачи, тем большее число высокочастотных компонент проходит по линии связи, а следовательно, тем надежнее будет полученный сигнал воспроизводить переданный сигнал.

Искажение из-за задержки определяется тем, что скорость распространения синусоидального сигнала по линии изменяется с изменением частоты. Следовательно, при передаче цифрового сигнала различные компоненты, из которых образован сигнал, достигают приемника с различными задержками. Результатом этого является искажение сигнала, называемое искажением, вызванным задержкой. Степень искажения растет с увеличением скорости передачи битов, что вызвано следующей причиной: по мере роста скорости битов некоторые частотные компоненты, связанные с передачей данного бита, задерживаются и начинают влиять на частотные компоненты следующего бита. Поэтому искажения из-за задержки называют также межсимвольными взаимными помехами. В результате действия этого искажения в моменты измерения поступивший сигнал изменяется. Так как обычно поступивший сигнал измеряется в номинальном центре каждого битового интервала, то, следовательно, при увеличении скорости битов искажение из-за задержки может привести к некорректной интерпретации полученного сигнала.

Шумы постоянно присутствуют в реальном канале. В отсутствие передаваемого сигнала в идеальной линии связи должен быть нулевой уровень электрического сигнала. Однако на практике в линии имеют место случайные всплески даже тогда, когда никакой сигнал не передается. Эти всплески называют уровнем шумов в линии, и в пределе по мере затухания передаваемого сигнала его уровень становится сравнимым с уровнем шума.

Таким образом, основными функциями СПДИ являются: модуляция, линейное кодирование, сжатие информации, повышение достоверности передачи информации, обеспечения синхронности и синфазности передатчика и приемника. Этим и другим вопросам посвящен материал данного конспекта.

4

ПИИ

ИИИ Электронная почта

Электронная почта

Рис. В.1. Основные виды электросвязи:

АТС – автоматическая телефонная станция; АТгС – автоматическая телеграфная станция; АМТС – аппаратная междугородней телефонной сети; АМТ - аппаратная междугороднего телевидения;

ИИИ – источник измерительной информации; ПИИ – приемник измерительной информации.

5

Рис. В.2. Структурная схема системы передачи данных (СПД); С1, С2, С3 – стыки

3

1. ЦИФРОВЫЕ МЕТОДЫ МОДУЛЯЦИИ

1.1. Общие сведения

Центральной проблемой при построении любой системы связи является выбор и техническая реализация способов введения передаваемой информации в физический переносчик в точке передачи и выделения этой информации в точке приема. Эта наиболее тонкая задача известна как проблема модуляции и демодуляции.

Практически во всех современных системах связи используются методы цифровой модуляции и цифровая обработка сигналов при демодуляции. Такие системы принято называтьцифровыми системами передачи в отличие от аналоговых систем, в которых реализованы аналоговая модуляция и аналоговая демодуляция. Современные достижения радиоэлектроники обеспечи-

вают возможность реализовать в передатчике и приемнике системы связи достаточно сложные алгоритмы цифровой обработки электрических сигналов. В результате качество передачи практически любых сообщений в цифровых системах оказывается выше, чем качество передачи этих сообщений с помощью аналоговых систем связи. Например, оказалось возможным передавать сообщения в присутствии шума и помех с большей точностью или передавать больше сообщений при прочих равных условиях.

Цифровые системы передачи обладают двумя важнейшими особенностями:

–любые сообщения представляются в цифровой форме, т.е. в виде последовательностей битов;

–до формирования канальных символов подлежащие передаче биты обычно сначала преобразуются в последовательность положительных и отрицательных электрических импульсов длительностьюТС прямоугольной формы, для которой принимаем обозначениеV(t); последовательность полученных таким способом импульсов называютмодулирующим сигналом. Преобразование последовательности битов в последовательность электрических импульсов осуществляется по следующему правилу: 0 Þ bV(t), 1 Þ -bV(t), где

b > 0 – амплитуда импульса. При этом модулирующий сигнал

В этом равенстве суммирование осуществляется по всем возможным значениям индекса i, а множитель bi может принимать значения +b или -b.

На рис. 1.1 представлены примеры реализаций сигналов при цифровой модуляции: последовательность переданных битов{аi}, последовательность электрических импульсов модулятора прямоугольной формы и разной полярности {bi}, восстановленная в приемнике последовательность электрических

импульсов демодулятора {bˆi } и, наконец, последовательность принятых битов

4

{ aˆi }. Здесь не представлены канальные символы. Угловой скобкой над символами обозначены их оценки. Неверно принятый бит отмечен серым фоном.

Рис. 1.1. Временные диаграммы сигналов в устройствах цифровой системы передачи

Модуляция – это процесс кодирования информации, получаемой от источника информации, в форму, наиболее удобную для передачи по каналу связи. В общем случае этот процесс предусматривает перенос основной полосы частот модулирующего сигнала DF в область высоких частот. Получающийся в результате модуляции радиосигнал S[t; U(t)] занимает радиополосу шириной 2DF , центральная частота которой F0 намного выше верхней граничной частоты FВ спектра модулирующего сигнала. Как правило, в качестве

модуляции, являются амплитуда А, частота F0 и фаза j .

На практике наибольшее применение нашлиМ-ичные системы модуляции, которым будет уделено большое внимание. Это связано с максимальной скоростью передачи информации. Известно, что чем выше частота несущего периодического сигнала, тем больше информации в единицу времени передается по линии связи и тем выше пропускная способность линии при фиксированном способе физического кодирования. Однако с увеличением частоты периодического несущего сигнала увеличивается и ширина спектра этого сигнала. Линия связи передает этот спектр синусоид с теми же искажениями, которые определяются её полосой пропускания. Чем больше несоответствие между полосой пропускания линии и шириной спектра передаваемых инфор-

5

мационных сигналов, тем больше сигналы искажаются и тем вероятнее ошибки в распознавании информации принимающей стороной, а значит, скорость передачи информации на самом деле оказывается меньше, чем можно было предположить.

Связь между полосой пропускания линии и её максимально возможной пропускной способностью, вне зависимости от принятого способа физического кодирования, установили Шеннон и Хартли. Эта формула называется законом Шеннона-Хартли:

помехи.

Из формулы (1.2) видно, что хотя теоретического предела пропускной способности линии с фиксированной полосой пропускания не существует, на практике такой предел имеется. Действительно, повысить пропускную способность линии можно за счет увеличения мощности передатчика или же уменьшения помех на линии связи. Обе эти составляющие поддаются изменению с большим трудом. К тому же влияние мощностей полезного сигнала и шума на пропускную способность ограничено логарифмической зависимостью, которая растет не так быстро, как прямо-пропорциональная. Так, при достаточно типичном исходном отношении мощности сигнала к мощности шума в 100 раз, повышение мощности передатчика в 2 раза даст только 15% увеличение пропускной способности линии.

Найквист вывел формулу, определяющую зависимость максимальной скорости передачи информации(данных) С[бит/с] от ширины полосы пропускания В без учета шума в канале:

где М – число различимых состояний информативного параметра сигнала. Если сигнал имеет два состояния, то пропускная способность равна удвоенному значению ширины полосы пропускания линии связи. Если же передатчик использует более чем два устойчивых состояния сигнала для кодирования данных, то пропускная способность линии повышается, так как за один такт работы передатчик передает несколько бит исходных данных.

Пример. Модем в телефонной сети общего пользования применяет метод квадратурной амплитудной модуляции с8-ю уровнями (четыре значения фазы умножить на два значения амплитуды для каждой фазы) на каждый сигнальный элемент. Если полоса пропускания телефонной сети равна3100 Гц, то согласно формуле Найквиста максимальная скорость передачи данных будет равна:

С = 2В 1оG2M = 2·3100·LoG28 = 18600 бит/с.

6

Хотя формула Найквиста явно не учитывает наличие шума, косвенно его влияние отражается в выборе числа состояний информативного параметра сигнала. Для повышения пропускной способности канала хотелось бы увеличить это число до значительной величины, но на практике этого сделать нельзя из-за шума на линии. Поэтому число возможных состояний сигнала фактически ограничивается соотношением мощности сигнала и шума, а формула Найквиста определяет предельную скорость передачи данных в том случае, когда количество состояний уже выбрано с учетом возможностей устойчивого распознавания приемником. Таким образом, наиболее эффективными являются М-ичные системы модуляции, которые обеспечивают повышенные скорости передачи информации.

1.2.М-ичная фазовая модуляция

1.2.1.Общие сведения. При фазовой модуляции мгновенное значение фазы радиосигнала отклоняется от фазы немодулированного несущего колебания на величину, зависящую от мгновенного значения модулирующего сигнала:

s[t,u(t)] = Acos{2pf 0t + j[u(t)]} Re[ A=exp{ jj[u(t)]}exp{ j2pf 0t}] . (1.4)

Из этого выражения следует, что передаваемая информация, содержащаяся в модулирующем сигнале U(t) , закодирована в комплексной огибающей

передаваемого сигнала S[t, U(t)]. Понятие комплексной огибающей является очень важным как для теории, так и для техники цифровой связи и будет играть существенную роль е последующем изложении.

При цифровой фазовой модуляции фаза переносчика может отличаться от текущей фазы немодулированного несущего колебания на конечное число разных значений. В простейшем случаедвоичной фазовой манипуляции (ФМ-2) в качестве таких значений обычно выбирают0° и 180° [1]. В современных системах часто используют большие наборы фазовых углов, чтобы представлять в одном канальном символе сразу несколько битов передаваемых данных. Например, можно использовать четыре разных фазовых угла: 45°, 135°, -45°, -135° для представления возможных значений последовательности из двух битов (ФМ-4). Возможные значения трёхбитового слова можно представить группой из восьми разных фазовых углов(ФМ-8), четырехбитового слова – группой из 16 фазовых углов (ФМ-16) и т.д.

1.2.2. Двоичная фазовая манипуляция. Простейшей формой цифровой фазовой модуляции является ФМ-2. Этот способ часто используется в системах с прямым расширением спектров, в которых модулирующий сигнал является псевдослучайной двоичной последовательностью. При ФМ-2 в зависи-

7

мости от значения модулирующего сигнала отклонение фазы сигнала от фазы модулированного несущего колебания равно либо 0°, либо 180°. Так, если для фазомодулированного сигнала (ФМ сигнала) принять общее описание (1.4), (1.5), то для ФМ-2 сигнала должны выполняться равенства:

j[u (t )] º 0 при u(t) º1, j[u (t )] º p при u(t) º -1; 0 £ t £ TC .

Комплексная огибающая этого сигнала не изменяется на указанном интервале времени и может принимать следующие два значения:

Полезным и наглядным оказывается графическое представление возможных значений этой огибающей на комплексной плоскости. Для рассматриваемого здесь сигнала комплексная огибающая принимает всего два значения, указанные на рис. 1.2. Такое изображение обычно называютсигнальным созвездием.

Мнимая часть

Рис. 1.2. Сигнальное созвездие ФМ-2 сигнала

На рис 1.3 представлены временные диаграммы модулирующего сигнала и радиосигнала. Основная особенность радиосигнала здесь состоит в том, что его текущая фаза имеет разрывы в моменты изменения полярности модулирующего сигнала.

Эти «скачки» фазы на 180° являются основной причиной того, что спектральная плотность мощностиФМ-2 сигнала в радиоканале оказывается существенно отличной от нуля в недопустимо широкой полосе частот. Поэтому в таком виде ФМ-2 сигналы практически не используются. Для уменьшения занимаемой ими полосы частот они подвергаются фильтрации.

Трудно осуществить фильтрацию этих сигналов после модулятора на высокой частоте, поскольку потребовались бы узкополосные высокодобротные

8