Лекция 2. МОДЕЛЬ ЦИФРОВОЙ СИСТЕМЫ СВЯЗИ

Совокупность технических средств для передачи сообщений от источника к потребителю называется системой связи. Обязательными компонентами любой системы связи независимо от вида передаваемых сообщений являются передающее устройство, линия связи и приемное устройство.

Рассмотрим общую модель цифровой системы связи, представленную на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 – Модель цифровой системы связи

Источник генерирует сообщения, представляющие собой либо непрерывные функции от времени, либо потоки дискретных сигналов. Пример непрерывного во времени сообщения - волновой сигнал, передающий человеческую речь. Чтобы передать такой аналоговый сигнал через цифровую систему связи, его необходимо преобразовать в цифровую форму. Делается это путем его дискретизации c последующим квантованием каждого фрагмента. Для этого аналого-цифровой преобразователь (АЦП) разбивает аналоговый сигнал на отсчеты (выборки) с частотой дискретизации fs, а затем производит замену каждого отсчета на двоичный блок, определяемый амплитудой фрагмента.

Именно так в стандартной телефонии эту операцию выполняет кодер, использующий импульсно-кодовую модуляцию (ИКМ, англ. Pulse-Code Modulation -PCM). Он производит дискретизацию поступающего с микрофона аналогового сигнала с частотой fs = 8 кГц и, применяя стандартизованную нелинейную характеристику, сопоставляет каждому фрагменту 8-битную последовательность. При выполнении квантования с заданным шагом часть информации, содержащейся в исходном сигнале, утрачивается. В результате появляется так называемый шум квантования.

Нелинейный квантователь, сопоставляющий фрагментам речевого сигнала двоичные последовательности, определим, как кодер источника". Благодаря тому, что нелинейность характеристик преобразования учитывает динамические свойства человеческого уха, для представления каждой отдельной выборки достаточно 8-битного кодового слова. При использовании линейного аналого-цифрового преобразования сравнимое качество достижимо при длине слова в 12-13 бит.

Другой пример кодера речевого сигнала - это кодер дифференциальной импульсно-кодовой модуляции (ДИКМ, англ. Differential Pulse-Code Modulation -DPCM). Принцип действия этого кодера основан на четкой взаимосвязи между соседними отсчетами голосового сигнала, поэтому кодируется только их разность. Более совершенные методы кодирования речи будут рассмотрены в лекции 7.

Рассмотрим компьютерный терминал как источник дискретных сигналов. Буквенно-цифровые символы, генерируемые им, можно рассматривать как простейшие сообщения. Обычно они представляют собой 8-битные блоки в широко распространенном алфавите ASCII. Несмотря на свою популярность, алфавит ASCII не обеспечивает эффективного кодирования буквенно-цифровых символов. Некоторые символы встречаются очень часто, другие - редко.

Хороший кодер источника «подгоняет» длину двоичных последовательностей под статистические свойства источника сообщений. Для более эффективного представления генерируемой источником информации все чаще применяется ее сжатие. Эффективность проявляется в уменьшении среднего количества битов, используемых для кодирования одного сообщения.

Некоторые физические явления, происходящие в каналах связи, приводят к возникновению ошибок приемника. Эти ошибки можно представить разностью между переданной и восстановленной из принятого сигнала двоичными последовательностями. Для того чтобы исправить или, по крайней мере, обнаружить ошибки, применяются канальный кодер в передатчике и канальный декодер в приемнике. К информационным блокам добавляется определенное число выбранных особым образом дополнительных битов. Значения этих битов рассчитываются путем сложения по модулю двух информационных битов, подбираемых таким образом, чтобы между ними существовала алгебраическая взаимосвязь, позволяющая скорректировать или хотя бы обнаружить возможные ошибки. Тогда, при обнаружении ошибки, сам сигнал ложности принятой последовательности является индикатором необходимости повторной ее передачи. Обнаружение и коррекция ошибок широко применяются в системах подвижной связи.

Модулятор - это блок, генерирующий синусоидальный сигнал (несущую), параметры которого (частота, амплитуда и/или фаза) являются функциями поданной на его вход цифровой последовательности. В результате модуляции несущий информацию сигнал переносится в соответствующую часть радиодиапазона и приобретает четко сформированные спектральные параметры. Это свойство сигнала - важнейшее для систем подвижной связи. Здесь необходимо эффективно использовать выделенные спектральные ресурсы, чтобы не искажать сигналы, передаваемые пользователями соседних областей спектра. Каждая система должна использовать максимально возможное количество своих собственных каналов в выделенном ей частотном диапазоне.

Электромагнитный спектр - ценный и ограниченный ресурс. На протяжении последних лет появилось множество новых систем подвижной связи, а на рынке - новые услуги. В результате создается все новое и новое оборудование для систем, работающих во все более высоких диапазонах частот. Применяются все более и более сложные технологии. Распределение частот электромагнитного спектра между радиосистемами является предметом международных переговоров и соглашений.

Понятие многостанционного доступа к среде передачи тесно связано со свойствами канала и применяемыми методами модуляции сигнала. Многостанционный доступ может быть реализован различными способами.

Первый из них - это разделение выделенного системе диапазона на определенное количество каналов - неперекрывающихся узких полос, которые выделяются различным пользователям (как правило, только для активного в данный момент абонента). Этот метод доступа к каналу связи называется многостанционным доступом с частотным разделением каналов (англ. Frequency Division Multiple Access - FDMA).

При другом способе реализации все пользователи работают на одной несущей частоте, но в разное время. Такой подход называется многостанционным доступом с временным разделением каналов (англ. Time Division Multiple Access -TDMA).

Третий метод называется многостанционным доступом с кодовым разделением каналов (англ. Code Division Multiple Access - CDMA). Передающие устройства могут генерировать сигналы, которые занимают весь диапазон системы на все время соединения; однако благодаря применению особых сигнальных (кодовых) последовательностей, уникально идентифицирующих каждого пользователя, приемник может извлечь сигнал отдельно взятого пользователя из суммы сигналов, одновременно поступающих из различных источников.

Возможны комбинации описанных выше методов многостанционного доступа.

Высокочастотый узел (ВЧ блок) работает в радиочастотном диапазоне и усиливает радиосигнал до требуемого уровня. Ширина полосы сигнала зависит от выбранного типа модуляции и используемого метода многостанционного доступа. Обычным требованием к применяемому в системе подвижной связи усилителю ВЧ является ограничение энергопотребления. Например, мобильный телефон должен потреблять как можно меньше энергии для того, чтобы увеличить время работы между перезарядками батареи. Поэтому усилитель ВЧ должен обладать большим динамическим диапазоном и вынужден функционировать в нелинейной области своих характеристик. Прямым следствием этого факта становится выбор методом цифровой модуляции, используемых в системах подвижной связи. Компенсировать нелинейные искажения, вносимые усилителем ВЧ, позволяет применение методов модуляции с постоянной или слабо меняющейся огибающей.

В системах подвижной связи передатчик излучает сигнал в пространство с помощью антенны. Свойства канала тесно связаны с типами передающей и приемной антенн. Особенно важную роль играют параметры направленного действия и усиления антенны. Характеристики антенны определяют рабочий диапазон системы и ее эффективность. Несмотря на практическую важность, теория антенн выходит за рамки данной книги. Читатель может ознакомиться с ней в изданиях, полностью посвященных антеннам, например [1] и [2].

Преобразования, производимые в приемнике, имеют обратное соответствие процессам, происходящим в передатчике. После усиления и фильтрации в каскадах ВЧ блока принятый сигнал демодулируется. Характер преобразования зависит от применяемого метода цифровой модуляции и параметров канала. Сильное влияние на выбор типа применяемого демодулятора оказывает фактор стоимостной реализации приемника. Основная задача демодулятора - выделить последовательность импульсов из модулированного сигнала, полученного после ВЧ обработки. На основе этих импульсов детектор выделяет из принятого сигнала переданные символы данных и преобразует их в двоичные последовательности.

Канальный декодер, используя добавленные канальным кодером резервные биты, а также дополнительную информацию о достоверности принятого сигнала, определяет кодовую последовательность. Из полученной кодовой последовательности выделяется двоичная информационная составляющая. Именно она является основной целью декодирования.

В качестве примеров канальных декодеров можно привести блок декомпрессии, восстанавливающий оригинальную информацию из сжатых данных, и синтезатор речи, генерирующий голосовой сигнал. В последнем случае декодированный сигнал претерпевает преобразование цифра - аналог и попадает через усилитель и громкоговоритель в приемник сообщений - ухо пользователя.

Основные требования, предъявляемые к процессу передачи речи по сетям связи, — это высокое качество сигнала и низкая системная (временная) задержка. При этом качество речи по большей части напрямую связано со скоростью цифрового потока на выходе кодера речи, в то же время более сложные алгоритмы кодирования речи способны достичь более высоких отношений качества к скорости цифрового потока.

В следующих лекциях мы рассмотрим процессы, происходящие во время передачи сигнала по каналам подвижной связи.