ОСНОВЫ ТЕОРИИ СИСТЕМ СВЯЗИ Системы цифровой связи Лекции

ОСНОВЫ ТЕОРИИ СИСТЕМ СВЯЗИ Системы цифровой связи (Лекции 2, 3)

Достоинства цифровой связи 1 • Существует много причин, по которым в системах связи широко используются цифровые технологии. Основным преимуществом такого подхода является легкость восстановления цифровых сигналов по сравнению с аналоговыми.

Искажение импульса На рисунке показан идеальный двоичный цифровой импульс, распространяющийся по каналу передачи данных. На форму сигнала влияют два основных механизма: все каналы и линии передачи имеют неидеальную частотную характеристику; и нежелательные шумы или другие воздействия еще больше искажают форму импульса. Чем протяженнее канал, тем существеннее эти механизмы искажают импульс.

Восстановление импульса • Пока переданный импульс 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.

Достоинства цифровой связи 2 • Цифровые каналы менее подвержены искажению и интерференции, чем аналоговые. Двоичные цифровые каналы дают значимый сигнал • при работе в одном из двух состояний – вкл. или выкл. – только сильное возмущение может перевести рабочую точку канала из одного состояния в другое. Наличие всего двух состояний облегчает восстановление сигнала и предотвращает накопление в процессе передачи шумов или других возмущений. Аналоговые сигналы 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 они не могут воспроизводиться идеально. При использовании цифровых технологий малая вероятность возникновения ошибок плюс применение процедур выявления и коррекции ошибок позволяют получать сигнал с высокой точностью. С аналоговыми технологиями подобные процедуры недоступны

Достоинства цифровой связи 3 • Существуют и другие преимущества цифровой связи. • 1. Цифровые каналы надежнее и дешевле аналоговых. • 2. Цифровое программное обеспечение допускает более гибкую реализацию, чем аналоговое (микропроцессоры, цифровые коммутаторы и большие интегральные схемы (large-scale integrated circuit – LSI)). • 3. 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). • 4. При передаче и коммутации различные типы цифровых сигналов (телеграф, телефон, телевидение) являются идентичными (бит – это всегда бит). • 5. Для удобства коммутации и обработки, цифровые сообщения могут группироваться в пакеты. • 6. В цифровые технологии естественным образом внедряются функции, защищающие от интерференции и подавления сигнала либо обеспечивающие шифрование или секретность. 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.

Некоторые недостатки цифровой связи • 1. Цифровые системы требуют более интенсивной обработки, чем аналоговые. • 2. Для цифровых систем необходимо выделение значительной части ресурсов для синхронизации на различных уровнях. • Аналоговые системы легче синхронизировать. • 3. ЦС при ухудшении качества приема носит пороговый характер. Если отношение сигнал/шум падает ниже некоторого порога, качество обслуживания может скачком измениться от очень хорошего до очень плохого. 4. В аналоговых системах ухудшение качества происходит плавно.

Функциональная схема типичной системы цифровой связи

основные преобразования сигналов в системах DCS 1 • Функциональная схема иллюстрирует прохождение 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.

основные преобразования сигналов в системах DCS 2 • Для беспроводных приложений передатчик состоит из схемы повышения частоты в область радиочастот (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. • Слайд 8 иллюстрирует соответствие блоков верхней (передающей) и нижней (принимающей) частей системы. Этапы обработки сигнала в передатчике, являются преимущественно обратными к этапам обработки сигналов в приемнике. • Исходная информация преобразуется в двоичные цифры (биты); после этого биты группируются в цифровые сообщения или символы сообщений.

основные преобразования сигналов в системах DCS 3 • Каждый такой символ mi , где i =1, …, M, можно рассматривать как элемент конечного алфавита, содержащего М элементов. • При M=2 символ сообщения mi является бинарным (т. е. состоит из одного бита). Несмотря на то, что бинарные символы можно классифицировать как Марные (с M=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 DCS с тем, что мы имеем в аналоговых системах, когда сигнал сообщения является элементом бесконечного множества возможных сигналов.

основные преобразования сигналов в системах DCS 4 • Для систем, использующих канальное кодирование (коды коррекции ошибок), последовательность символов сообщений преобразуется в последовательность канальных символов (кодовых символов) ui. Поскольку символы сообщений или канальные символы могут состоять из одного бита или группы битов, последовательность подобных символов называется потоком битов.

ключевые блоки обработки сигналов 1 См. слайд № 8 • Необходимыми для систем DCS являются только этапы форматирования, модуляции, демодуляции/детектирования и синхронизации. • Форматирование преобразует исходную информацию в биты, обеспечивая совместимость информации и функций обработки сигналов с системой DCS. Начиная с этого блока и до блока импульсная модуляция 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.

ключевые блоки обработки сигналов 2 • Импульсная модуляция (ИМ) – необходимый этап, поскольку каждый передаваемый символ вначале нужно преобразовать из двоичного представления (уровни напряжений представляются двоичными нулями и единицами) в видеосигнал (модулированный сигнал). Видеосигнал это 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 (pulsecode modulation – импульсно-кодовая модуляция). Существует несколько типов PCM-кодированных сигналов. При применении импульсной модуляции к небинарным символам результирующий сигнал именуется М-арным импульсно-модулированным. Существует несколько типов подобных сигналов, например, с амплитудноимпульсной модуляцией (pulse-amplitude modulation – РАМ). • После импульсной модуляции каждый символ сообщения или канальный символ принимает форму полосового сигнала gi(t), где I =1, 2, …, M.

ключевые блоки обработки сигналов 3 • Для систем передачи радиосигналов следующим важным этапом является полосовая модуляция; она необходима, когда среда передачи не поддерживает распространение сигналов, имеющих форму импульсов. В таких случаях и требуется полосовой сигнала , si, где i =1, …, M. Термин “полосовой” (bandpass) используется для указания на то, что видеосигнал gi(t) сдвинут на частоту, которая гораздо больше частоты спектральных составляющих. Далее сигнал si(t) проходит через канал, причем связь между входным и выходным сигналами канала полностью определяется импульсной характеристикой канала • h. С (t).

ключевые блоки обработки сигналов 3, продолжение • В различных точках вдоль маршрута передачи случайные шумы искажают сигнал, так что он на входе приемника r(t) отличается от переданного сигнала si(t): • где знак «*» означает операцию свертки, – случайный процесс. • При обработке полученного сигнала входной каскад приемника и/или демодулятор обеспечивают понижение частоты каждого полосового сигнала r(t). В качестве подготовки к детектированию демодулятор восстанавливает этот сигнал в виде оптимальной огибающей видеосигнала z(t). Фильтрация выполняется для удаления нежелательных высокочастотных составляющих и формирования импульса.

ключевые блоки обработки сигналов 4 • Выравнивание можно рассматривать, как разновидность фильтрации, используемой в демодуляторе (или после демодулятора) для удаления всех эффектов ухудшения качества сигнала, причиной которых мог быть канал. • Выравнивание необходимо в том случае, если ИХ канала h. С(t) настолько плоха, что принимаемый сигнал сильно искажен. • Эквалайзер устройство выравнивания для компенсации (удаления или ослабления) искажений сигнала, вызванных неидеальной ИХ. • На этапе дискретизации сформированный импульс z(t) преобразуется в выборку Z(t) для восстановления символа канала или символа сообщения (если не используется канальное кодирование). • Иногда 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.

ключевые блоки обработки сигналов 5 • Кодирование источника – это преобразование аналогового сигнала в цифровой и удаление избыточной информации. • 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 используемое для обеспечения секретности связи, предотвращает несанкционированное понимание сообщения пользователем и введение в систему ложных сообщений.

ключевые блоки обработки сигналов 6 • Канальное кодирование 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 и множественного доступа объединяют сигналы, которые могут иметь различные характеристики или могут поступать от разных источников, с тем, чтобы они могли совместно использовать часть ресурсов связи (спектр, время). • Расширение частоты 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 слайде 8, 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 функциональной схемы системы ЦС. • Точное его местонахождение зависит от используемой конкретной технологии.

ключевые блоки обработки сигналов 7 • Синхронизация и ее ключевой элемент, синхронизирующий сигнал, задействованы во всех этапах обработки сигнала в системе DCS. Поэтому блок синхронизации на слайде 8 показан безотносительно к чему-либо, хотя фактически он участвует в регулировании операций практически в каждом блоке, приведенном на рисунке. • На слайде 8 показаны основные функции обработки (преобразования) сигналов, 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

Основные преобразования сигналов в цифровой связи (более подробно)

Основные преобразования сигналов 1 • Здесь мы не будем рассматривать каждое из них, поскольку много из того, что нужно знать для понимания всего приведенного на слайде 22 вы пока еще не знаете. Остановимся только на некоторых, но рассмотрим их подробнее. • На слайде 22 блок Передача видеосигналов содержит перечень бинарных альтернатив при использовании модуляции РСМ или линейных кодов. В этом блоке также указана небинарная категория сигналов, называемая Марной импульсной модуляцией. • Преобразование 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; если информация о фазе не используется, процесс именуется некогерентным.

Основные преобразования сигналов 2 • 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. • 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. • Одна из таких технологий, автоматический запрос повторной передачи, распознает появление ошибки и запрашивает отправителя повторно передать сообщение; • Другая, известная как прямая коррекция ошибок, 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.

Основные преобразования сигналов 3 • В ЦС синхронизация включает оценку как времени, так и частоты. Как показано на слайде 22, синхронизация выполняется для пяти параметров. • Эталонные частоты когерентных систем необходимо синхронизировать с несущей 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. • Сетевая синхронизация, позволяет скоординировать действия с другими пользователями с целью эффективного использования ресурсов.

Основные преобразования сигналов 4 • Уплотнение и множественный доступ. Значения этих двух терминов 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 обычно адаптивен и может требовать для работы некоторых дополнений. • Расширение – 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.

Основные преобразования сигналов 5 • Шифрование и дешифрование. Основными задачами этих преобразований является аутентификация (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 и основные идеи, относящиеся к классу систем шифрования, называемых системы с открытым ключом.

Основная терминология DCS 1 • Источник информации – устройство, передающее информацию посредством DCS. Источник информации может быть аналоговым или дискретным. Источники аналоговой информации преобразуются в источники цифровой информации посредством дискретизации и квантования. Методы дискретизации и квантования называют еще форматированием и кодированием источника (слайд 22). • Текстовое сообщение – последовательность символов. При цифровой передаче данных сообщение представляет собой последовательность цифр или символов, принадлежащих конечному набору символов или алфавиту. • Знак. 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 информацией), код Холлерита (Hollerith code), код Бодо (Baudot code), код Муррея (Murray code) и код (азбука) Морзе (Morse code).

Основная терминология DCS 2 • Двоичная цифра (binary digit) (бит) (bit). Фундаментальная единица информации для всех ЦС. Термин “бит” также используется как единица объема информации. • Поток битов. Последовательность двоичных цифр (нулей и единиц). Поток битов часто называют видеосигналом, или низкочастотным сигналом; это связано с тем, что спектральные составляющие такого сигнала размещены от (или около) постоянной составляющей до некоторого конечного значения, обычно не превышающего несколько мегагерц. • Символ (цифровое сообщение). Символ – это группа из k бит, рассматриваемых как единое целое. Эта группа называют символом сообщения mi (i=1, …, M ) из конечного набора символов или алфавита. Размер алфавита М равен 2 k, где k– число бит в символе.

Основная терминология DCS 3 • При низкочастотной передаче каждый из символов mi представлен одним из набора видеоимпульсов g 1, g 2, …, g. M. • Для типичной полосовой передачи каждый импульс gi будет представлен одним из набора полосовых импульсных сигналов s 1, s 2, …, s. M. Таким образом, для беспроводных систем символ mi посылается путем передачи цифрового сигнала в течение Т секунд (Т – длительность символа). Следующий символ посылается в течение следующего временного интервала Т. • Главным отличием DCS от аналоговых систем в том, что набор символов, передаваемых DCS, является конечным. • Приемнику DCS требуется определить, какой из возможных М сигналов был передан; тогда как аналоговый приемник должен точно определять значение, принадлежащее непрерывному диапазону сигналов.

Основная терминология DCS 4 • Цифровой сигнал 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. Эта величина в битах за секунду (бит/с) выражается формулой R=k/T=(1/T)log 2 M (бит/с), где k бит определяют символ из M= 2 k -символьного алфавита, а Т – длительность k-битового символа.