Основы цифровой аудио- и видеотехники. Часть 1. Учебное пособие

скую антенну и конвертор ДМВ диапазона. Дальнейшая обработка сигнала выполняется так же, как и в приемном тракте спутникового цифрового телевизионного приемника.

В настоящее время разрабатываются системы сотового телевидения, которые, как и системы сотовой связи, основаны на использовании большого количества маломощных передатчиков, каждый из которых обслуживает небольшую территорию. Наличие в сети множества ячеек предлагает пользователям свой набор телевизионных программ в каждой из них. Это выгодно отличает сеть сотового телевидения от существующих систем эфирного телевещания в метровом и дециметровом диапазонах.

К системам сотового телевидения относятся LMDS (Local Multipoint Distribution System – система местного многоточечного распределения), работающая в диапазоне частот 27,5…29,5 ГГц, и MVDS (Multipoint Video Distribution System – система многоточечного распределения видео), работающая в диапазоне частот 40,5…42,5 ГГц. В полосе частот 2 ГГц с помощью этих систем можно передавать от 96 до 128 аналоговых телевизионных каналов или в несколько раз больше цифровых каналов. При этом передача радиосигналов осуществляется на экологически безопасных уровнях мощности 100…300 мВт на один канал. Абонентское оборудование системы сотового телевидения аналогично оборудованию, используемому для приема спутниковых каналов. Однако, благодаря более высокому уровню мощности принимаемого сигнала, приемные антенны имеют существенно меньшие размеры. Например, диаметр параболической антенны 150…250 мм. Так как параболические антенны имеют узкую диаграмму направленности, прием осуществляется только от того передатчика, на который направлена антенна.

71

Глава 4

МЕТОДЫ МОДУЛЯЦИИ И МАНИПУЛЯЦИИ,

ПРИМЕНЯЕМЫЕ В ЦИФРОВЫХ СИСТЕМАХ

Основная особенность модуляции высокочастотной несущей частоты цифровыми сигналами заключается в том, что модулируемый параметр (амплитуда, частота или фаза) может принимать в результате модуляции ряд дискретных значений. Такую модуляцию называют манипуляцией. Интервал времени, в течение которого модулируемые параметры остаются постоянными, называется символьным интервалом, или интервалом канального символа. В течение каждого символьного интервала передается один бит или одновременно несколько битов, образующих канальный символ.

Для повышения эффективности использования полосы частот канала связи канальный символ должен содержать как можно больше битов передаваемой информации. Для этого в каждый момент времени сигнал в канале может принимать не два, а большее число возможных значений параметров. В случае применения амплитудной манипуляции это достигается наличием соответствующего количества уровней амплитуды несущей частоты. Такая амплитудная манипуляция называется многопозиционной. Однако при этом ухудшается помехоустойчивость системы передачи информации. Чтобы обеспечить уверенное различение большого количества уровней сигнала, в соответствии с соотношением (2.24) необходимо увеличить отношение сигнал/шум в канале связи. Практически это достигается за счет увеличения мощности передатчика. Таким образом, подтверждается основное положение теории связи – для увеличения пропускной способности канала связи при фиксированной ширине полосы пропускания необходимо повышать отношение сигнал/шум.

72

4.1. АМПЛИТУДНАЯ МАНИПУЛЯЦИЯ

При амплитудной манипуляции происходит дискретное изменение уровня несущей частоты. В простейшем двухпозиционном случае одному уровню сигнала соответствует максимальное значение амплитуды несущей частоты, а другому – нулевой уровень амплитуды несущей частоты. Амплитудные манипуляторы имеют простую схемотехническую реализацию. Декодер в виде амплитудного детектора также является простым устройством. Эффективность использования полосы частот канала связи при передаче двоичного сигнала с простой амплитудной манипуляцией, когда амплитуда несущей может прини-

мать два значения, составляет 1 (бит/c)/Гц. При использовании m уровней амплитуды существенно ухудшается помехоустойчивость, поэтому многопозиционную амплитудную манипуляцию применяют в каналах связи с большим отношением сигнал/шум. Кроме того, при быстром изменении амплитуды высокочастотного сигнала в цепях с ограниченной полосой пропускания возникают переходные процессы, которые могут привести к искажению символов. Для устранения этого недостатка применяют защитные интервалы.

4.2.ЧАСТОТНАЯ МАНИПУЛЯЦИЯ

Вобщем случае при частотной манипуляции для передачи цифровой информации используется два или более значения частоты. Мно-

гопозиционная частотная манипуляция имеет m значений частоты, при этом минимальный разнос частот составляет F . Существует большое число двухпозиционных частотно-манипулированных сигналов, формируемых специальным образом. Например, для широко используемой частотной манипуляции с минимальным сдвигом (ММС или GMSK) отношение разноса частот к частоте следования модулирующих импульсов (индекс частотной модуляции) равно 0,5, а приращение фазы сигнала в течение длительности элементарной посылки

равно 90 . Достоинством частотной манипуляции является постоянство огибающей высокочастотного сигнала, что позволяет в усилителях мощности средств связи использовать экономичный режим С, обладающий максимально возможным коэффициентом полезного действия. Частотная манипуляция также характеризуется высокой помехоустойчивостью.

73

Основным показателем спектральной эффективности многоканальных систем передачи информации с частотной манипуляцией является

полоса частот, необходимая для передачи одного канала данных FK .

В цифровых системах радиосвязи полоса частот, занимаемая радиоканалом, определяется скоростью цифрового потока данных, способом помехоустойчивого кодирования, методом модуляции и способом канального доступа. При этом частотное разделение каналов имеет самую простую аппаратурную реализацию.

Для повышения помехоустойчивости систем связи с частотной манипуляцией необходимо, чтобы передаваемые сигналы, соответствующие разным символам, были некоррелированными. Полагая начальные фазы передаваемых сигналов нулевыми, для символов 0 и 1 можно записать

Используя выражение для взаимной корреляционной функции при нулевом временном сдвиге ( t 0 ), получим следующее соотношение:

Учитывая, что ( 1 0 ) ( 1 0 ) , первым слагаемым в (4.1) можно

пренебречь. В результате получим следующее выражение для взаимной корреляционной функции:

Значение взаимной корреляционной функции (4.2) равно нулю при выполнении условия 1 0 T0 k , где k – целое число, не равное нулю.

74

Таким образом, минимальное расстояние между частотами манипуляции 0 и 1 , при котором передаваемые сигналы, соответствующие разным символам, являются некоррелированными, составляет

Двухпозиционная (бинарная) частотная манипуляция, частоты которой выбраны согласно условию (4.4), называется минимальной частотной манипуляцией MSK (Minimum Shift Keying). В бинарной системе передачи информации термин «символ» эквивалентен передаче одного информационного бита. В других случаях символ может содержать несколько битов. Например, в четырехпозиционной системе одному символу соответствует два информационных бита.

В современных стандартах цифровой радиосвязи нормируется не полоса частот одного канала FK , а шаг сетки частот, т. е. расстояние

между несущими частотами соседних каналов – f p . Очевидно, что выполняется условие f p FK . Обычно для радиосвязи шаг сетки

частот равен 12,5; 20; 25; 30 кГц.

Показателем спектральной эффективности является относительный уровень излучения передатчика в соседний канал , определяемый по

формуле

b

u( f )df

задается международными требованиями и составляет – 60 дБ для ша-

75

га по частоте 12,5 Гц. Практический опыт показал, что для подвижных систем радиосвязи наиболее эффективен метод модуляции GMSK, используемый в системе TETPAPOL. При его использовании формируются частотно-манипулированные сигналы с индексом модуляции 0,5. Для сужения спектра сигнала используется гауссовский предмодуляционный фильтр нижних частот, имеющий нормированную полосу

пропускания FcT0 0, 25 , где Fc – частота среза фильтра; T0 – дли-

тельность символа.

Использование приведенных выше параметров при вероятности

ошибки Pош 10 2 позволяет работать системам связи при отношении сигнал/шум 6 дБ.

4.3. ФАЗОВАЯ МАНИПУЛЯЦИЯ

При фазовой манипуляции происходит дискретное изменение начальной фазы несущей частоты. В простейшем двухпозиционном случае несущая частота принимает два значения начальной фазы: 0 и 180 . Для упрощения приемных устройств и декодеров применяют относительную фазовую манипуляцию, при которой фаза несущей частоты для каждого текущего символа сравнивается с фазой несущей частоты при передаче предыдущего символа.

Для повышения эффективности использования полосы частот канала связи применяется многопозиционная фазовая манипуляция. На рис. 4.1, а показана четырехпозиционная фазовая манипуляция, при которой одновременно передаются два бита информации и которая называется QPSK. На рис. 4.1, б представлена восьмипозиционная фазовая манипуляция, соответствующая трехразрядному двоичному коду. Сдвиг между дискретными значениями фазы несущей частоты в

этом случае составляет 45 . Структурная схема восьмипозиционного фазового манипулятора, работающего на радиочастоте RF или промежуточной частоте IF, приведена на рис. 4.2.

На выходе фазового демодулятора за счет применения ограничительных каскадов отношение сигнал/шум определяется как

где – разница соседних фазовых сдвигов; f – полоса частот канала связи; Fmax – полоса частот передаваемого сигнала.

76

Рис. 4.1. Векторная диаграмма фазовой манипуляции:

а – четырехпозиционная; б – восьмипозиционная

Рис. 4.2. Структурная схема восьмипозиционного фазового манипулятора

Для четырехпозиционной фазовой манипуляции / 2 расче-

ты по соотношению (4.6) показывают, что отношение сигнал/шум за счет ограничительных каскадов увеличивается на 11 дБ. Это означает, что при прочих равных условиях требуется мощность передатчика на 11 дБ меньше.

Фазовая манипуляция относится к угловым видам модуляции, и для оценки ширины спектра f p можно пользоваться соотношением

Таким образом, фазовая манипуляция отличается повышенной помехоустойчивостью и поэтому используется в спутниковом цифровом телевизионном стандарте DVB-S.

77

4.4. КВАДРАТУРНАЯ АМПЛИТУДНАЯ МАНИПУЛЯЦИЯ

Многопозиционная квадратурная амплитудная манипуляция (КАМ) реализуется с помощью одновременной амплитудной модуля-

ции двумя сигналами U I (inphase) и UQ (qadrature) двух квадратурных составляющих несущей частоты:

где 0 – несущая частота.

Отметим, что в аналоговых телевизионных стандартах NTSC и PAL используется квадратурная амплитудная модуляция, в которой коэффициент амплитудной модуляции изменяется от 0 до 0,85. При передаче цифровых сигналов уровни двух квадратурных составляющих изменяются дискретно.

Теоретически квадратурная амплитудная модуляция (манипуляция) обеспечивает повышение эффективности использования канала связи в два раза, так как на одной несущей частоте передается два сигнала. При этом ширина спектра не превышает 2Fmax .

На рис. 4.3, а показана «звездная» диаграмма для случая, когда каждая квадратурная составляющая может принимать два значения. Такой режим называется QPSK. Как видно из рисунка, четырехпозиционная квадратурная амплитудная манипуляция QPSK, так же как и фазовая манипуляция, отличается повышенной помехоустойчивостью, поскольку во всех четырех положениях амплитуда результирующего сигнала остается постоянной. Таким образом, одной несущей частотой в заданный момент времени можно передать информацию о состоянии двух бит.

Существенной особенностью КАМ являются повышенные требования к линейности усилительных трактов как приемника, так и передатчика. В приемном тракте обязательно наличие системы автоматической регулировки усиления. В передающем тракте, в частности в модуляторе, используются специальные корректоры нелинейных искажений, в том числе адаптивные к параметрам выходного усилителя мощности, являющегося одним из основных источников нелинейных искажений. На уровень нелинейных искажений существенное влияние оказывают режим работы выходных транзисторов, а также качество согласования по входу и выходу.

78

На рис. 4.4 приведена структурная схема модулятора 16-КАМ, которая может быть реализована на промежуточной частоте либо на радиочастоте. Здесь приняты обозначения: К1–К4 – электронные коммутаторы; АТ1–АТ2 – аттенюаторы, предназначенные для формирования заданного уровня амплитуды выходного сигнала.

Отметим, что при реализации квадратурного амплитудного модулятора на промежуточной частоте фазовращатели выполняются на основе широкополосных операционных усилителей.

Электронные коммутаторы выполняют на полевых транзисторах или на полупроводниковых коммутационных диодах. При этом для компенсации межэлектродной емкости диода используют различного рода фильтровые структуры, в состав которых входит межэлектродная емкость диода.

На рис. 4.5, а приведена схема электронного коммутатора на полупроводниковом диоде с согласующе-компенсирующей структурой в виде фильтра нижних частот. На рис. 4.5, б показано изменение во времени активной проводимости коммутациионного диода gd (t) , что

вызывает появление переходных процессов в схеме, приведенной на рис. 4.5, а.

Таким образом, переходные процессы обусловлены изменяющейся во времени проводимостью диода gd (t) , межэлектродной емкостью диода и реактивными элементами согласующе-компенсирующей цепи.

79

80