Космические и наземные системы радиосвязи и сети телерадиовещания

2

Космические и наземные системы радиосвязи и сети телерадиовещания: Учебное пособие / Вершинин А.С., Эрдынеев Ж.Т. ТУСУР.- 2013. 184 с.

В данном пособии излагаются основы построения систем цифровой связи, включая различные виды модуляций, методы организации каналов с множественным доступом, методы расширения спектра, а также рассмотрены наиболее распространённые виды наземной и космической связи, включая спутниковую связь, радиорелейную связь, UMTS, DVB.

Учебное пособие предназначено для студентов технических вузов, обучающихся по направлению 210700 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи», специализирующихся в области математического моделирования инфокоммуникационных систем.

Томский Государственный Университет Систем Управления и Радиоэлектроники,

2013.

5.2.Линейные последовательности максимальной длины (m-последовательности).

69

10.1.Спутниковые системы связи с использованием геостационарных

10.2.Спутниковые системы связи с использованием негеостационарных

5

1.Кодирование и модуляция в системах цифровой связи.

1.1. Цифровой канал связи.

Системы связи предназначены для передачи информации, создаваемой источником, до некоторого места назначения. Обобщенная структурная схема цифровой системы связи представлена на рис.1.1. Источники информации могут принимать множество различных форм. Например, в радиовещании источник излучает звуковой сигнал (речь или музыку). В телевизионном вещании выходом источника является, кроме звука, подвижное изображение. Выходы этих источников являются аналоговыми сигналами, и поэтому они называются аналоговыми источниками. В противоположность этому компьютеры и устройства хранения информации, такие как магнитные или оптические диски, имеют дискретный выход (обычно двоичные или ASCII символы), и

Физический Помехи канал

Рисунок 1.1. Структурная схема цифровой системы связи поэтому их называют дискретными источниками. В то время как источники являются

аналоговыми или дискретными, цифровая система связи предназначается для передачи информации в цифровой форме. Следовательно, выход источника должен быть преобразован в формат, который может быть передан как цифровой по каналу связи. В

системе цифровой связи сообщения, выданные источником, преобразуются в последовательность двоичных символов. Сигналы, используемые для передачи двоичных символов, обычно являются импульсы тока или напряжения, для которых существуют широкий набор различных преобразований. Одним из таких преобразований, в котором участвуют группы символов, называется «кодирование». В цифровой связи используются следующие виды кодирования: кодирование источника и помехоустойчивое кодирование.

Рассмотрим их более подробно.

Кодирование источника используется с целью сокращения избыточности,

содержащейся в сигнале, то есть представление сигнала в наиболее экономном виде так,

6

чтобы в конечном итоге произведение его длительности на занимаемую полосу частот было минимальным. Таким образом, если k - количество символов на входе кодера и n -

количество символов на выходе кодера, то за счет минимального использования n

символов на выходе кодера в итоге оказывается n k . Результат этого кодирования повышение скорости передачи информации [1].

Далее последовательность двоичных символов от кодера источника поступает на

кодер канала. Назначение кодера канала состоит в том, в процессе приема появилась возможность обнаружить и исправить большую часть ошибок, возникших в результате влияния помех и интерференции. Для этого вводят управляемым способом некоторую избыточность в информационную двоичную последовательность. Данное кодирование,

называемое помехоустойчивым, является эффективным средством повышения достоверности передачи информации при сохранении неизменными скорости передачи и энергетических параметров канала связи или снижения отношения сигнал/шум (SNR),

требуемого для обеспечения заданной достоверности приема информации.

Двоичная последовательность на выходе кодера канала поступает на цифровой модулятор. Модуляция является процедурой записи цифровой информации в параметры физического сигнала, адаптированного для передачи в физической среде, т.е. служит своего рода интерфейсом к каналу связи.

Канал связи - это физическая среда, которая используется для передачи данных от источника к получателю. При беспроводной связи каналом может быть атмосфера

(свободное пространство). С другой стороны, телефонные каналы обычно используют ряд физических сред, включая линии проводной связи, волоконно-оптические кабели и беспроволочные линии (например, микроволновую радиолинию). Для любой физической среды, используемой для передачи информации, существенно, что передаваемый сигнал подвержен случайным искажениям через такие механизмы, как воздействие аддитивного теплового шума, генерируемого электронными устройствами, воздействие промышленных помех (например, автомобильные помехи от системы зажигания),

воздействие атмосферных помех (электрические разряды молнии во время грозы) и т.п

[1].

На приёмной стороне системы цифровой связи цифровой демодулятор обрабатывает искажённый каналом передаваемый сигнал и преобразует его в последовательность чисел, которые представляют оценки переданных данных (двоичных или М-позиционных). Эта последовательность чисел поступает на канальный декодер,

8

На вход модулятора поступают символы (биты) кодера со скоростью Rc (бит/с), которая

связана со скоростью передачи символов модуляции соотношением:

Rc = nRs,

где n – количество бит кода, записанных в один символ модуляции.

Кодер характеризуется параметром r, называемым скоростью кодирования:

r = R/Rc, r ≤ 1.

где R – скорость источника.

Скорость передачи символов модуляции связана со скоростью источника

Еще одним параметром, часто используемом в цифровой связи, является отношение средней мощности сигнала к средней мощности шума S N , необходимый для

обеспечения заданной вероятности ошибки в приеме бита информации. Чаще используют

понятие нормированного отношения сигнал-шум Eb N 0 , где Eb - энергия бита, а N0 -

спектральная плотность шума. Формула для расчета Eb N 0 от S N представлена в (1.2).

где F – ширина полосы;

R – скорость передачи бит в источнике.

Из формулы (1.2) можно выделить еще один показатель спектральной эффективности СКК как отношение реализованной в данной системе скорости передачи информации R к ширине полосы занимаемых рабочих частот F.

γ = R/F

Эта величина именуется удельной скоростью передачи информации и измеряется в

бит / с . Гц

Если в системе связи нет помехоустойчивого кодирования, то СКК определяется только видом модуляции и тогда приведенные показатели эффективности применим для соответствующего вида модуляции.

При синтезе систем связи для передачи информации через физические каналы мы используем математические модели, которые отображают наиболее важные характеристики среды передачи. Затем математическая модель канала используется для синтеза кодера и модулятора в передатчике и демодулятора и декодера в приёмнике.

9

Ниже мы приводим краткое описание моделей каналов, которые часто используются для

отображения многих физических каналов, с которыми мы сталкиваемся на практике.

1.2.Модели физических каналов.

Самая простая математическая модель для канала связи – это канал с аддитивным

шумом, иллюстрируемый на рис. 1.3. В этой модели передаваемый сигнал s(t) подвержен воздействию лишь аддитивного шумового процесса n(t). Физически аддитивный шум возникает от посторонних электрических помех, электронных компонентов и усилителей в приёмнике систем связи, а также из-за интерференции сигналов [1].

Канал

n t

Рисунок 1.3 – Канал с аддитивным шумом [1]

Если шум обусловлен в основном электронными компонентами и усилителями в приёмнике, его можно описать как тепловой шум. Этот тип шума характеризуется статистически как гауссовский шумовой процесс. Как следствие, результирующую математическую модель обычно называют каналом с аддитивным гауссовским шумом.

Поскольку эта модель применима к широкому классу физических каналов связи и имеет простую математическую интерпретацию, она является преобладающей моделью канала при анализе и синтезе систем связи. Затухание каналов легко включается в модель. Если при прохождении через канал сигнал подвергается ослаблению, то принимаемый сигнал:

(1.3)

где - коэффициент затухания линейного канального фильтра.

Линейный фильтрующий канал. В некоторых физических каналах, таких как проводные телефонные каналы, фильтры используются для того, чтобы гарантировать,

что передаваемые сигналы не превышают точно установленные ограничения на ширину полосы и, таким образом, не интерферируют или не мешают друг другу. Такие каналы обычно описываются математически как линейные фильтрующие каналы с аддитивным