Скляр Б. Цифровая связь (2003), страница 6

В данной книге цифровые системы часто рассматриваются в контексте спутникового канала связи. Иногда это трактуется в контексте систем мобильной радиосвязи„в этом случае передача сигнала обычно ухудшается вследствие явления, называемого заниралием. Здесь стоит отметить, что спроектировать и описать систему связи, противостоящую замиранию, сложнее, чем выполнить то же для системы без замирания. Отличительной особенностью систем цифровой связи (б!дйа! сопппип!сабоп зузгегп — РСБ) является то, что за конечный промежуток времени они посылают сигнал, состоящий из конечного набора элементарных сигналов (в отличие от систем аналоговой связи, где сигнал состоит из бесконечного множества элементарных сигналов). В системах РСБ задачей приемника является ие точное воспроизведение переданного сигнала, а определение на основе искаженного шумами сигнала, какой именно сигнал из конечного набора был послан передатчиком.

Важным критерием производительности системы РС5 является вероятность ошибки (Рг). 1.1. Обработка сигналов в цифровой связи 1.1.1. Почему "цифровая" Почему в военных и коммерческих системах связи используются "цифры" ? Существует множество причин. Основным преимушеством такого подхода является легкость восстановления цифровых сигналов по сравнению с аналоговыми. Рассмотрим рис.

1.1, на котором представлен идеальный двоичный цифровой импульс, распространяющийся по каналу передачи данных. На форму сигнала влияют два основных механизма: (1) поскольку все каналы и линии передачи имеют неидеальную частотную характеристику, идеальный импульс искажается; и (2) нежелательные электрические шумы или другое воздействие со стороны еше больше искажает форму импульса. Чем протяженнее канал, тем существеннее эти механизмы искажают импульс (рис. 1.1). В тот момент, когда переданный импульс все еше может быть достоверно определен (прежде чем он ухудшится до неоднозначного состояния), импульс усиливается цифровым усилителем, восстанавливающим его первоначальную идеальную форму, Импульс возрождается" или восстанавливается.

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 большим, чтобы перевести рабочую точку канала из одного состоя- Глава 1. Сигналы и спектоы 30 ния в другое. Наличие всего двух состояний облегчает восстановление сигнала и, следовательно, предотвращает накопление в процессе передачи шумов или других возмущений, Аналоговые сигналы, наоборот, не являются сигналами с двумя состояниями; они могут принимать бесконечное ынолсвство 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 очень низкая частота возникновения ошибок плюс применение процедур выявления и коррекции ошибок делают возможным высокую точность сигнала. Остается только отметить, что с аналоговыми технологиями подобные процедуры недоступны.

Интервал 5 Уоиленив о целью вооотановления импульса Интервал 3 Искаженный оигнал Интервал 4 Интервал 1 Иоколный имлульоный он гнал Интервал 2 Некоторое иокажвние он гнала Сильно искаженный сигнал 3 4 1 2 Раоьтояние распространения Рис. 1. Л Искалнение и восстановление ннлулыа 1.1. Обработка сигналов в цифровой связи Существуют и другие важные преимущества цифровой связи. Цифровые канюсы надвлснее и могут производиться по более низким ценам, чем аналоговые. Кроме того, цифровое программное обеспечение допускает далее гибкую реализацию, чем аналоговое (например, микропроцессоры, цифровые коммутаторы и большие интегральные схемы (!агяе-зса!е 1псеасасед с!ген!с — 1Ы)). Использование цифровых сигналов и уплотнения с временным разделением (ссше-д!у!з!оп пш!Вр!ех1пй— 'ПлМ) нроще применения аналоговых сигналов и уплотнения с частотным разделением (Сгес(пенсу-д!Уса!оп шп!с!Р1ехспя — г(лМ).

При передаче и коммутации различные типы цифровых сигналов (данные, телеграф, телефон, телевидение) могут рассматриваться как идентичные: ведь бит — это и есть бит. Кроме того, для удобства коммутации и обработки, цифровые сообщения могут группироваться в автономные единицы, называемые пакетами. В цифровые технологии естественным образом внедряются функции, защищающие от интерференции и подавления сигнала либо обеспечивающие шифрование или секретность.

(Подобные технологии рассматриваются в главах 12 и 14.) Кроме того, обмен данными в основном производится между двумя компьютерами или между компьютером и цифровыми устройствами нли терминалом. Подобные цифровые оконечные устройства лучше (и естественнее!) обслуживаются цифровыми каналами связи. Чем же мы платим за преимущества систем цифровой связи? Цифровые системы требуют более интенсивной обработки, чем аналоговые. Кроме того, для цифровых систем необходимо выделение значительной части ресурсов для синхронизации на Различных уровнях (см. главу 10). Аналоговые системы, наоборот, легче синхронизировать.

Еше одним недостатком систем цифровой связи является то, что ухудсив- яие хачесава лагат 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.

1.1.2. Типичная функциональная схема и основные преобразования Функциональная схема, приведенная на рис.!.2, иллюстрирует распространение сигнала и этапы его обработки в типичной системе цифровой связи (РСБ). Этот рисунок является чем-то вроде плана, направляющего читателя по главам данной книги. 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.

Блоки модуляции и демодуляции/йетеклщрования вместе называются модемом. Термин "модем" часто объединяет несколько этапов обработки сигналов, показанных на рис. 1.2; в этом случае модем можно представлять как "мозг'" системы. Передатчик и приемник можно рассматривать как "мускулы" системы. Для беспроводных приложений передатчик состоит из схемы повышения частоты в область радиочастот (шо1о ггецвепсу — КР), усилителя мощности и антенны, а приемник — из антенны и малошумяшего усилителя (1овпоЫе ашрййег — 1.ХА). Обратное понижение частоты производится на выходе приемника и/или демодулятора. На рис. 1.2 иллюстрируется соответствие блоков верхней (передающей) и нижней (принимающей) частей системы.

Этапы обработки сигнала, имеющие место в передатчике, являются преимущественно обратными к этапам приемника. На рис. 1.2 исходная информация преобразуется в двоичные цифры (биаы); после этого биты группируются в цифровые сообщения или символы сообщений. Каждый такой символ (т„где 1= 1, ..., м) можно рассматривать как элемент конечного алфавита, содержащего м элементов.

Следовательно, для М = 2 символ сообщения е, является бинарным (т.е. состоит из одного бита). Несмотря на то что бинарные символы можно классифицировать как М-арные (с М = 2), 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 РСБ 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 симвааов (кодовых символов), и каждый канальный символ обозначается щ, Поскольку символы сообщений или канальные символы могут состоять из одного бита или группы битов, последовательность подобных символов называется потоком битов (рис.

1.2). Рассмотрим ключевые блоки обработки сигналов, изображенные на рис. 1.2; необходимыми для систем РСБ являются только этапы форматирования, модуляции, демодуляции/детектирования и синхронизации. Форматирование преобразовывает исходную информацию в биты, обеспечивая, таким образом, совместимость информации и функций обработки сигналов с системой РСЗ. С этой точки рисунка и вплоть до блока импульсной модуляции информация остается в форме потока битов. Глава 1. Сигналы и спектры СимВОЛы сообщений От других источников Канальные символы Источник информации Необходимый елвмент Символы сообщений Другим адресатам Рис. 1.2. Функциональное схема тилиеной системы цц4роеоц салан 1 1. Обработка сигналов в цифровой связи 33 Модуляция — это процесс, посредством которого символы сообщений или канальные символы (если используется канальное кодирование) преобразуются в сигмалы, совместимые с требованиями, налагаемыми каналом передачи данных.

Импульсная модуляция — это еше 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 сцгмае). Термин "видеосигнал*' (ЬааеЬапд з)япа!) определяет сигнал, спектр которого начинается от (или около) постоянной составляюшей 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 (ри1зе-соде тода!абоп — импульсно-кодовая модуляция). Сушествует несколько типов РСМ-кодированных сигналов (описанных в главе 2); в приложениях телефонной связи эти сигналы часто называются кодами канала.