1.2. Системы цифровой связи (Лекции 2, 3)

Достоинства и недостатки цифровой связи

Здесь будем следовать книге [2].

С

Рис. 1.1. Искажение и восстановление импульса

уществует много причин, по которым в системах связи широко используются цифровые технологии. Основным преимуществом такого подхода является легкость восстановления цифровых сигналов по сравнению с аналоговыми. Рассмотрим рисунок 1.1, на котором представлен идеальный двоичный цифровой импульс, распространяющийся по каналу передачи данных. На форму сигнала влияют два основных механизма:  поскольку все каналы и линии передачи имеют неидеальную частотную характеристику, идеальный импульс искажается; и  нежелательные электрические шумы или другое воздействие со стороны еще больше искажает форму импульса. Чем протяженнее канал, тем существеннее эти механизмы искажают импульс (рис. 1.1). В тот момент, когда переданный импульс все еще может быть достоверно выявлен (прежде чем он ухудшится до неоднозначного состояния), импульс усиливается цифровым усилителем, восстанавливающим его первоначальную идеальную форму. За восстановление сигнала отвечают регенеративные ретрансляторы, расположенные в канале связи на определенном расстоянии друг от друга.

Цифровые каналы менее подвержены искажению и интерференции, чем аналоговые. Поскольку двоичные цифровые каналы дают значимый сигнал только при работе в одном из двух состояний – включенном или выключенном – возмущение должно быть достаточно сильным, чтобы перевести рабочую точку канала из одного состояния в другое. Наличие всего двух состояний облегчает восстановление сигнала и, следовательно, предотвращает накопление в процессе передачи шумов или других возмущений. Аналоговые сигналы не являются сигналами с двумя состояниями и могут принимать бесконечное множество форм. В аналоговых каналах даже небольшое возмущение может неузнаваемо исказить сигнал. После искажения аналогового сигнала возмущение нельзя убрать путем усиления. Поскольку накопление шума неразрывно связано с аналоговыми сигналами, как следствие, они не могут воспроизводиться идеально. При использовании цифровых технологий низкая вероятность возникновения ошибок плюс применение процедур выявления и коррекции ошибок позволяют получать сигнал с высокой точностью. С аналоговыми технологиями подобные процедуры недоступны

Существуют и другие важные преимущества цифровой связи. Цифровые каналы надежнее и дешевле, чем аналоговые. Кроме того, цифровое программное обеспечение допускает более гибкую реализацию, чем аналоговое (например, микропроцессоры, цифровые коммутаторы и большие интегральные схемы (large-scale integrated circuit – LSI)). Использование цифровых сигналов и уплотнения с временным разделением (time-division multiplexing – TDM) проще применения аналоговых сигналов и уплотнения с частотным разделением (frequency-division multiplexing – FDM). При передаче и коммутации различные типы цифровых сигналов (данные, телеграф, телефон, телевидение) являются идентичными (бит – это и есть бит). Кроме того, для удобства коммутации и обработки, цифровые сообщения могут группироваться в автономные единицы – пакеты. В цифровые технологии естественным образом внедряются функции, защищающие от интерференции и подавления сигнала либо обеспечивающие шифрование или секретность. Кроме того, обмен данными в основном производится между двумя компьютерами или между компьютером и цифровыми устройствами или терминалом. Подобные цифровые оконечные устройства лучше обслуживаются цифровыми каналами связи.

Однако, за преимущества систем цифровой связи приходится платить.

Цифровые системы требуют более интенсивной обработки, чем аналоговые. Кроме того, для цифровых систем необходимо выделение значительной части ресурсов для синхронизации на различных уровнях. Аналоговые системы легче синхронизировать. Еще одним недостатком систем цифровой связи является то, что ухудшение качества приема носит пороговый характер. Если отношение сигнал/шум падает ниже некоторого порога, качество обслуживания может скачком измениться от очень хорошего до очень плохого. В аналоговых же системах ухудшение качества происходит более плавно.

Типичная функциональная схема и основные преобразования в системах цифровой связи

Функциональная схема, приведенная на рис. 1.2, иллюстрирует прохождение (распространение) сигнала и этапы его обработки в типичной системе цифровой связи (DCS).

Верхние блоки – форматирование, кодирование источника, шифрование, канальное кодирование, уплотнение, импульсная модуляция, полосовая модуляция, расширение спектра и множественный доступ – отражают преобразования сигнала на пути от источника к передатчику. Нижние блоки диаграммы – преобразования сигнала на пути от приемника к получателю информации, и, по сути, они противоположны верхним блокам.

Устройство, которое выполняет функции модулятора и демодулятора, называется модемом, а устройство, которое осуществляет кодирование сообщений и декодирование сигналов, – кодеком.

Для беспроводных приложений передатчик состоит из схемы повышения частоты в область радиочастот (radio frequency – RF), усилителя мощности и антенны, а приемник – из антенны и малошумящего усилителя (low-noise amplifier – LNA). Обратное понижение частоты производится на выходе приемника и/или демодулятора.

Рис. 1.2 иллюстрирует соответствие блоков верхней (передающей) и нижней (принимающей) частей системы. Этапы обработки сигнала в передатчике, являются преимущественно обратными к этапам обработки сигналов в приемнике.

На рис. 1.2 исходная информация преобразуется в двоичные цифры (биты); после этого биты группируются в цифровые сообщения или символы сообщений. Каждый такой символ , где можно рассматривать как элемент конечного алфавита, содержащего М элементов. Следовательно, при символ сообщения является бинарным (т.е. состоит из одного бита). Несмотря на то, что бинарные символы можно классифицировать как М-арные (с ), обычно название “М-арный” используется для случаев М > 2; значит, такие символы состоят из последовательности двух или большего числа битов. (Сравните подобный конечный алфавит систем DCS с тем, что мы имеем в аналоговых системах, когда сигнал сообщения является элементом бесконечного множества возможных сигналов.).

Для систем, использующих канальное кодирование (коды коррекции ошибок), последовательность символов сообщений преобразуется в последовательность канальных символов (кодовых символов) . Поскольку символы сообщений или канальные символы могут состоять из одного бита или группы битов, последовательность подобных символов называется потоком битов.

Рассмотрим ключевые блоки обработки сигналов на рис. 1.2. Необходимыми для систем DCS являются только этапы форматирования, модуляции, демодуляции/детектирования и синхронизации.

Рис. 1.2. Функциональная схема типичной системы цифровой связи

Форматирование преобразует исходную информацию в биты, обеспечивая совместимость информации и функций обработки сигналов с системой DCS. Начиная с этого блока и до блока импульсной модуляции информация остается в форме потока битов.

Модуляция – это процесс, с помощью которого символы сообщений или канальные символы, если используется канальное кодирование, преобразуются в сигналы, совместимые с требованиями, налагаемыми каналом передачи данных.

Импульсная модуляция – это еще один необходимый этап, поскольку каждый символ, который требуется передать, вначале нужно преобразовать из двоичного представления (уровни напряжений представляются двоичными нулями и единицами) в видеосигнал (модулированный сигнал). Термин “видеосигнал” (baseband signal) определяет сигнал, спектр которого начинается от (или около) постоянной составляющей и заканчивается некоторым конечным значением (обычно, не более нескольких мегагерц). Блок импульсно-кодовой модуляции обычно включает фильтрацию с целью достижения минимальной полосы передачи. При использовании импульсной модуляции для обработки двоичных символов результирующий двоичный сигнал называется РСМ-сигналом (pulse-code modulation – импульсно-кодовая модуляция). Существует несколько типов PCM-кодированных сигналов; в приложениях телефонной связи эти сигналы часто называются кодами канала. При применении импульсной модуляции к небинарным символам результирующий сигнал именуется М-арным импульсно-модулированным. Существует несколько типов подобных сигналов, например, с амплитудно-импульсной модуляцией (pulse-amplitude modulation – РАМ). После импульсной модуляции каждый символ сообщения или канальный символ принимает форму полосового сигнала , где . В любой электронной реализации поток битов, предшествующий импульсной модуляции, представляется уровнями напряжений. Может возникнуть вопрос, почему существует отдельный блок для импульсной модуляции, когда фактически уровни напряжения для двоичных нулей и единиц уже можно рассматривать как идеальные прямоугольные импульсы, длительность каждого из которых равна времени передачи одного бита? Существует два важных отличия между подобными уровнями напряжения и видеосигналами, используемыми для модуляции. Во-первых, блок импульсной модуляции позволяет использовать бинарные и М-арные сигналы. Во-вторых, фильтрация, производимая в блоке импульсной модуляции, формирует импульсы, длительность которых больше времени передачи одного бита. Фильтрация позволяет использовать импульсы большей длительности; таким образом, импульсы расширяются на соседние временные интервалы передачи битов. Этот процесс иногда называется формированием импульсов; он используется для поддержания полосы передачи в пределах некоторой желаемой области спектра.

Для систем передачи сигналов радиочастотного диапазона следующим важным этапом является полосовая модуляция (bandpass modulation); она необходима всегда, когда среда передачи не поддерживает распространение сигналов, имеющих форму импульсов. В таких случаях среда требует полосового сигнала , где . Термин “полосовой” (bandpass) используется для отражения того, что видеосигнал сдвинут несущей волной на частоту, которая гораздо больше частоты спектральных составляющих. Далее сигнал проходит через канал, причем связь между входным и выходным сигналами канала полностью определяется импульсной характеристикой канала . Кроме того, в различных точках вдоль маршрута передачи случайные шумы искажают сигнал, так что он на входе приемника отличается от переданного сигнала :

где знак «*» означает операцию свертки, – случайный процесс.

При обработке полученного сигнала входной каскад приемника и/или демодулятор обеспечивают понижение частоты каждого полосового сигнала . В качестве подготовки к детектированию демодулятор восстанавливает в виде оптимальной огибающей видеосигнала . Обычно с приемником и демодулятором связано несколько фильтров. Фильтрация выполняется для удаления нежелательных высокочастотных составляющих (в процессе преобразования полосового сигнала в видеосигнал) и формирования импульса.

Выравнивание можно представить как разновидность фильтрации, используемой в демодуляторе (или после демодулятора) для удаления всех эффектов ухудшения качества сигнала, причиной которых мог быть канал. Выравнивание (equalization) необходимо в том случае, если импульсная характеристика канала настолько плоха, что принимаемый сигнал сильно искажен. Эквалайзер (устройство выравнивания) реализуется для компенсации (т. е. для удаления или ослабления) всех искажений сигнала, вызванных неидеальной характеристикой . И последнее, на этапе дискретизации сформированный импульс преобразуется в выборку для восстановления символа канала или символа сообщения (если не используется канальное кодирование). Часто термины “демодуляция” и “детектирование” используют как синонимы. Точнее под демодуляцией подразумевать восстановление сигнала (полосового импульса), а под детектированием – принятие решения относительно цифрового значения этого сигнала.

Остальные этапы обработки сигнала в модеме являются необязательными и направлены на обеспечение специфических системных нужд.

Кодирование источника (source coding) – это преобразование аналогового сигнала в цифровой (для аналоговых источников) и удаление избыточной (ненужной) информации. Отметим, что типичная система DCS может использовать либо кодирование источника (для оцифровки и сжатия исходной информации), либо более простое форматирование (только для оцифровки). Система не может одновременно применять и кодирование источника, и форматирование, поскольку первое уже включает необходимый этап оцифровки информации. Шифрование, которое используется для обеспечения секретности связи, предотвращает несанкционированное понимание сообщения пользователем и введение в систему ложных сообщений.

Канальное кодирование (channel coding) при заданной скорости передачи данных может снизить вероятность ошибки или уменьшить отношение сигнал/шум, необходимое для получения желаемой вероятности за счет увеличения полосы передачи или усложнения декодера.

Процедуры уплотнения (multiplexing) и множественного доступа (multiple access) объединяют сигналы, которые могут иметь различные характеристики или могут поступать от разных источников, с тем, чтобы они могли совместно использовать часть ресурсов связи (например, спектр, время).

Расширение частоты (frequency spreading) может давать сигнал, относительно неуязвимый для интерференции (как естественной, так и умышленной), и может использоваться для повышения конфиденциальности сеанса связи. Также оно является ценной технологией, используемой для множественно доступа.

Блоки обработки сигналов, показанные на рис. 1.2, представляют типичную функциональную схему системы цифровой связи; иногда эти блоки реализуются в несколько ином порядке. Например, уплотнение может происходить до канального кодирования или модуляции либо – при двухэтапном процессе модуляции (поднесущая и несущая) – оно может выполняться между двумя этапами модуляции. Подобным образом блок расширения частоты может находиться в различных местах верхнего ряда рис. 1.2; точное его местонахождение зависит от используемой конкретной технологии.

Синхронизация и ее ключевой элемент, синхронизирующий сигнал, задействованы во всех этапах обработки сигнала в системе DCS. Для простоты блок синхронизации на рис. 1.2 показан безотносительно к чему-либо, хотя фактически он участвует в регулировании операций практически в каждом блоке, приведенном на рисунке.

На рис. 1.3 показаны основные функции обработки сигналов (которые можно рассматривать как преобразования сигнала), разбитые на следующие девять групп.

1. Форматирование и кодирование источника

2. Передача видеосигналов

3. Передача полосовых сигналов

4. Выравнивание

5. Канальное кодирование

6. Уплотнение и множественный доступ

7. Расширение спектра

8. Шифрование

9. Синхронизация

Хотя пункты такого разделения частично перекрываются, все же это позволяет автору книги [2] удобно упорядочить материал книги. Начиная с главы 2 подробно рассматриваются все девять основных преобразований. Здесь мы не будем рассматривать каждое из них, поскольку много из того, что нужно знать для понимания всего приведенного на рис. 1.3. вы пока еще не знаете. Остановимся только на некоторых.

На рис. 1.3 блок Передача видеосигналов содержит перечень бинарных альтернатив при использовании модуляции РСМ или линейных кодов. В этом блоке также указана небинарная категория сигналов, называемая М-арной импульсной модуляцией. Еще одно преобразование на рис. 1.3, помеченное как Передача полосовых сигналов, разделено на два основных блока, когерентный и некогерентный. Демодуляция обычно выполняется с помощью опорных сигналов. При использовании информации о всех параметрах сигнала (особенно фазы) процесс демодуляции называется когерентным; когда информация о фазе не используется, процесс именуется некогерентным.

Канальное кодирование связано с методами, используемыми для улучшения цифровых сигналов, которые в результате становятся менее уязвимыми к таким факторам ухудшения качества, как шум, замирание и подавление сигнала. На рис. 1.3 канальное кодирование разделено на два блока, блок кодирования сигнала и блок структурированных последовательностей.

Кодирование сигнала включает использование новых сигналов улучшающих качество детектирования по сравнению с исходным сигналом.

Структурированные последовательности включают применение дополнительных битов для определения наличия ошибки, вызванной шумом в канале. Одна из таких технологий, автоматический запрос повторной передачи (automatic repeat request – ARQ), просто распознает появление ошибки и запрашивает отправителя повторно передать сообщение; другая технология, известная как прямая коррекция ошибок (forward error correction – FEC), позволяет автоматически исправлять ошибки (с определенными ограничениями). При рассмотрении структурированных последовательностей можно выделить три метода:  блочное, например, линейное блочное кодирование;  сверточное кодирование, например, сверточное, декодирование Витерби (и другие алгоритмы декодирования) и  турбокодирование, например, каскадное кодирование, которое привело к созданию класса кодов, известных как турбокоды, а также коды Рида-Соломона.

В цифровой связи синхронизация включает оценку как времени, так и частоты. Как показано на рис. 1.3, синхронизация выполняется для пяти параметров. Эталонные частоты когерентных систем требуется синхронизировать с несущей (и возможно, поднесущей) по частоте и фазе. Для некогерентных систем синхронизация фазы не обязательна. Основной процесс синхронизации по времени – это символьная синхронизация (или битовая синхронизация для бинарных символов). Демодулятор и детектор должны знать, когда начинать и заканчивать процесс детектирования символа и бита; ошибка синхронизации приводит к снижению эффективности детектирования. Следующий уровень синхронизации по времени, кадровая синхронизация, позволяет перестраивать сообщения. И последнее, сетевая синхронизация, позволяет скоординировать д

Рис. 1.3. Основные преобразования при цифровой связи

ействия с другими пользователями с целью эффективного использования ресурсов.

Уплотнение и множественный доступ. Значения этих двух терминов очень похожи; оба связаны с идеей совместного использования ресурсов. Основным отличием является то, что уплотнение реализуется локально (например, на печатной плате, в компоновочном узле или даже на аппаратном уровне), а множественный доступ – удаленно (например, нескольким пользователям требуется совместно использовать спутниковый транспондер-ретранслятор). При уплотнении применяется алгоритм, известный априори; обычно он внедрен непосредственно в систему. Множественный доступ, наоборот, обычно адаптивен и может требовать для работы некоторых дополнений.

Расширение (spreading) – это преобразование, изначально разработанное для военной связи, а также методы расширения спектра, важные для обеспечения защиты от интерференции и секретности. Сигналы могут расширяться по частоте, времени или по частоте и времени. Расширение по частоте применяется для совместного использования ресурсов с ограниченной полосой в коммерческой переносной телефонии.

Шфрование и дешифрование. Основными задачами этих преобразований является аутентификация (подразумевает предотвращение ввода в канал ложных сигналов несанкционированными лицами.) и обеспечение конфиденциальности связи (означает предотвращение извлечения информации из канала несанкционированными лицами – “подслушивание”). Здесь важную роль играют стандарты шифрования данных (data encryption standard – DES) и основные идеи, относящиеся к классу систем шифрования, называемых системы с открытым ключом.

Основная терминология цифровой связи

Источник информации (information source) – устройство, передающее информацию посредством системы DCS. Источник информации может быть аналоговым или дискретным. Источники аналоговой информации преобразуются в источники цифровой информации посредством дискретизации или квантования. Методы дискретизации и квантования называют еще форматированием и кодированием источника (рис. 1.3).

Текстовое сообщение – последовательность символов. При цифровой передаче данных сообщение представляет собой последовательность цифр или символов, принадлежащих конечному набору символов или алфавиту.

Знак (character). Элемент алфавита или набора символов. Знаки могут представлять последовательностью двоичных цифр. Существует несколько стандартизованных кодов, используемых для знакового кодирования, в том числе код ASCII (American Standard Code for Information Interchange – Американский стандартный код для обмена информацией), код EBCDIC (Extended Binary Coded Decimal Interchange Code – расширенный двоичный код обмена инфор

мацией), код Холлерита (Hollerith code), код Бодо (Baudot code), код Муррея (Murray code) и код (азбука) Морзе (Morse code).

Двоичная цифра (binary digit) (бит) (bit). Фундаментальная единица информации для всех цифровых систем. Термин “бит” также используется как единица объема информации.

Поток битов (bit stream). Последовательность двоичных цифр (нулей и единиц). Поток битов часто называют видеосигналом, или низкочастотным сигналом (baseband signal); это связано с тем, что его спектральные составляющие такого сигнала размещены от (или около) постоянной составляющей до некоторого конечного значения, обычно не превышающего несколько мегагерц.

Символ (symbol) (цифровое сообщение) (digital message). Символ – это группа из бит, рассматриваемых как единое целое. Эта группа называют символом сообщения (message symbol) из конечного набора символов или алфавита. Размер алфавита М равен , где – число битов в символе.

При низкочастотной (baseband) передаче каждый из символов будет представлен одним из набора видеоимпульсов . Иногда при передаче последовательности таких импульсов для скорости передачи импульсов (скорости передачи символов) используется единица бод (baud). Для типичной полосовой (bandpass) передачи каждый импульс будет представляться одним из набора полосовых импульсных сигналов . Таким образом, для беспроводных систем символ посылается путем передачи цифрового сигнала в течение Т секунд (Т – длительность символа). Следующий символ посылается в течение следующего временного интервала Т. То, что набор символов, передаваемых системой DCS, является конечным, и есть главным отличием этих систем от систем аналоговой связи. Приемник DCS должен всего лишь определить, какой из возможных М сигналов был передан; тогда как аналоговый приемник должен точно определять значение, принадлежащее непрерывному диапазону сигналов.

Цифровой сигнал (digital waveform), описывается уровнями напряжения или силы тока. Сигнал (импульс для низкочастотной передачи или синусоида для полосовой передачи), представляет цифровой символ. Характеристики сигнала (для импульсов – амплитуда, длительность и положение или для синусоиды – амплитуда, частота и фаза) позволяют его идентифицировать как один из символов конечного алфавита. Хотя синусоидальный сигнал имеет аналоговый вид, все же он именуется цифровым, поскольку кодирует цифровую информацию.

Скорость передачи данных (data rate). Эта величина в битах в секунду (бит/с) выражается формулой (бит/с), где бит определяют символ из -символьного алфавита, а Т – длительность -битового символа.

Цифровые и аналоговые критерии производительности

Принципиальное отличие систем аналоговой и цифровой связи связано со способом оценки их производительности. Сигналы аналоговых систем составляют континуум, так что приемник должен работать с бесконечным числом возможных сигналов. Критерием производительности аналоговых систем связи является критерий достоверности, такой как отношение сигнал/шум, процент искажения или ожидаемая среднеквадратическая ошибка между переданным и принятым сигналами.

В отличие от аналоговых, цифровые системы связи передают сигналы, представляющие цифры. Эти цифры формируют конечный набор или алфавит, и этот набор известен приемнику априори. Критерием качества цифровых систем связи является вероятность неверного детектирования цифры или вероятность ошибки .