ТУСУР Теория электрической связи Часть 2 Профессор кафедры

ТУСУР Теория электрической связи Часть 2 Профессор кафедры радиотехнических систем, д. т. н. Юрий Павлович Акулиничев

ТУСУР Теория электрической связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев 2 Укрупненная схема РТС Источник помех 1 Источник сырого сигнала Получатель Линия передачи 1 Модулятор Приемник Линия передачи 2 Источник помех 2 Источник информации

ТУСУР Теория электрической связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев 2 Укрупненная схема СПИ X(t) Источник U(t) Передатчик V(t) Линия N(t) Источник помех Y(t) Приемник Получатель

ТУСУР Теория электрической связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев 2 Укрупненная схема СПИ Передатчик выполняет такие функции, как: 1) преобразование передаваемого сообщения в форму, пригодную для передачи сигнала по конкретной линии; 2) безызбыточное кодирование, позволяющее передать сообщение, используя минимальное количество символов в последовательности; 3) помехоустойчивое кодирование, т. е. формирование цифрового сигнала u(t) таким образом, чтобы в процессе приема появилась возможность обнаружить и исправить большую часть ошибок, возникших в принятом сигнале v(t) из-за влияния помех.

ТУСУР Теория электрической связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев 3 Элементы преобразователей б) а) Т Вх. Входы Вых. Т Т Т а) ячейка памяти в) ТИ Вх. Выходы б) регистр памяти Т Т Т Вых. парал. в) регистр сдвига Вых. послед.

ТУСУР Теория электрической связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев 3 Элементы преобразователей Вх. г) Номер Вых. M 2 Вх. MUX Вх. Вых. д) мультиплексор г) сумматор mod 2 е) д) Номер DMUX е) демультиплексор Вых.

ТУСУР Теория электрической связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев Преобразования Фурье – сигнал, Прямое Обратное – его спектр 3

ТУСУР Теория электрической связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев Дискретные преобразования Фурье (ДПФ) – отсчеты сигнала , взятые с шагом на интервале длиной – отсчеты спектра сигнала. на интервале длиной , взятые с шагом в области положительных и отрицательных частот. Прямое ДПФ Обратное ДПФ Разработаны эффективные алгоритмы быстрого преобразования Фурье (БПФ или FFT) 3

ТУСУР Теория электрической связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев 4 Квантование по времени непрерывного сигнала а) u(t) Su(f) 0 0 t б) r(t) 0 -2 Fк в) 0 f Sr(f) t v(t) Fв -Fв t -Fк Sv(f) 0 0 Fк 2 Fк Kн(f) а) передаваемое непрерывное сообщение u(t); б) импульсная несущая r(t); в) последовательность импульсов-отсчетов v(t) f

ТУСУР Теория электрической связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев 4 Квантование по времени непрерывного сигнала Шаг квантования выбирается в соответствии с теоремой отсчетов Найквиста-Котельникова Телефония (основной цифровой канал): Δt=125 мкс, Fк=8000 отсчетов в секунду, M=256 (k=8). Скорость передачи V = 8000 8 = 64 кбит/с. Выход АЦП - сигнал с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ). При записи музыкальных произведений на компакт-диск значения этих параметров равны: Fк = 44100 отсчетов/с, k = 16 бит/отсчет, т. е. М = 65536, V = 705, 6 кбит/с.

ТУСУР Теория электрической связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев 4 Квантование по времени непрерывного сигнала Восстановление непрерывного сигнала при помощи идеального ФНЧ с частотной характеристикой

ТУСУР Теория электрической связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев 5 Квантование по времени непрерывного сигнала. Причины появления ошибок Sv(f) -Fк K(f) 0 fc Fв Fк Спектр серии отсчетов в случае Fк < 2 FB и частотная характеристика ФНЧ-демодулятора (пунктирная линия) f

ТУСУР Теория электрической связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев 5 Квантование по времени непрерывного сигнала. Причины появления ошибок Sv(f) K(f) -Fк 0 Fв Fк Спектр серии отсчетов (сплошная линия), частотная характеристика ФНЧ-демодулятора в идеальном случае (пунктир) и частотная характеристика реального ФНЧ (штрих-пунктир) f

ТУСУР Теория электрической связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев 6 Модуляция импульсной несущей дискретным сигналом u(t) 0 t АИМ t ОШИМ t Передаваемое сообщение u(t) и сигналы с АИМ, ОШИМ, ВИМ t

ТУСУР Теория электрической связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев Аналого-цифровое преобразование 7

ТУСУР Теория электрической связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев Аналого-цифровое преобразование Телефония (основной цифровой канал): Δt = 125 мкс, Fк= 8000 отсчетов в секунду, M = 256 (k = 8). Скорость передачи V = 8000 8 = 64 кбит/с. Выход АЦП – сигнал с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ). 7

ТУСУР Теория электрической связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев 8 Компрессия сигнала W(u) 0 u Распределение вероятностей уровня сигнала и шкала неравномерного квантования

ТУСУР Теория электрической связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев 8 Компрессия сигнала uвых 0 Амплитудная характеристика компрессора uвх

ТУСУР Теория электрической связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев 8 Компрессия сигнала А-закон компандирования (Европа), А=87, 6. uвых uвх 0

ТУСУР Теория электрической связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев 9 Модуляция гармонической несущей цифровым сигналом u(t) 1 0 1 1 0 0 АМ ЧМ ФМ ОФМ - 0 0

ТУСУР Теория электрической связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев 10 Модуляция гармонической несущей цифровым сигналом 0 Генератор fо Вых. АМ Генератор f 0 0 Вых. ЧМ 1 Генератор f 1 1 0 Генератор fо о Вых. ФМ 1 Схемы, иллюстрирующие принципы АМ, ЧМ и ФМ при передаче двоичных символов

ТУСУР Теория электрической связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев 11 Модуляция гармонической несущей цифровым сигналом. Спектр плотности мощности τ – длительность одного двоичного символа. V=1/τ – скорость передачи (бит/с=имп/с), Δf – ширина спектра модулированного сигнала, Гц. G(f) f fo-2/ fo-1/ АМ fo fo+1/ Δf = 2/τ = 2 V fo+2/

ТУСУР Теория электрической связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев 11 Модуляция гармонической несущей цифровым сигналом τ – длительность одного двоичного символа. V=1/τ – скорость передачи (бит/с=имп/с), Δf – ширина спектра модулированного сигнала, Гц. G(f) f fo-2/ fo-1/ fo ФМ, ОФМ fo+1/ fo+2/ Δf = 2/τ = 2 V

ТУСУР Теория электрической связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев 11 Модуляция гармонической несущей цифровым сигналом G(f) f 0 -1/ f 0 ЧМ f 1 Δf=3/τ=3 V f 1+1/ f

ТУСУР Теория электрической связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев 12 Модуляция гармонической несущей цифровым сигналом а) k=1, M=2 0 1 б) k=2, M=4 1→ 01 2→ 10 0→ 00 3→ 11 в) k=3, M=8 2→ 010 1→ 001 3→ 011 0→ 000 4→ 100 5→ 101 6→ 110 Векторное представление колебаний при многократной ФМ 7→ 111

ТУСУР Теория электрической связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев 12 Модуляция гармонической несущей цифровым сигналом КАМ - 16 КАМ - 4 S * * C 0 * * * S * *0 * * * * * C Геометрические образы (созвездия) М сигналов с квадратурно-амплитудной модуляцией

ТУСУР Теория электрической связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев 12

ТУСУР Теория электрической связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев 12 Проблема межсимвольной интерференции Существенный недостаток при передаче цифрового сигнала прямоугольными импульсами – это наличие межсимвольной интерференции. Причина – ограничение полосы частот сигнала, что приводит к растягиванию фронтов импульсов, в итоге соседние импульсы перекрываются. Тем не менее, существует способ передачи в ограниченной полосе без межсимвольной интерференции. Вместо прямоугольных импульсов нужно использовать импульсы в виде функции Котельникова. S(f) -2τ -1τ 0 1τ 2τ f

ТУСУР Теория электрической связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев 12 Проблема межсимвольной интерференции Пример такого сигнала при передаче последовательности двоичных символов приведен на рисунке. t 0 0 1 0 1 0 0 Слагаемые, формирующие сигнал на входе линии при передаче последовательности двоичных символов импульсами в виде функции Котельникова

ТУСУР Теория электрической связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев 12 Проблема межсимвольной интерференции Существует метод передачи с использованием ортогональных частотно-разделенных сигналов (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM)). Для его реализации в полосе частот Δf = 1/τ, минимально необходимой для последовательной передачи радиоимпульсов длительности τ, организуют n гармонических поднесущих с шагом по частоте, равным Δf /n. Символы комбинации передают одновременно на этих поднесущих, используя один из методов манипуляции (обычно ОФМ или КАМ). В каждом субканале передаются радиоимпульсы прямоугольной формы, при этом форму спектра каждого из них задает функция Котельникова, сдвинутая по оси частот.

ТУСУР Теория электрической связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев 12 Слагаемые, формирующие спектр сигнала на входе линии при использовании OFDM f 0 0 1 0 1 0 0 Благодаря тому, что спектр сигнала в каждом из субканалов стал в n раз уже, общее ограничение полосы частот очень мало искажает его форму (следовательно, мало искажается и форма самих импульсов), что обеспечивает малость межсимвольной интерференции как между символами, разнесенными во времени (в одном субканале), так и между символами, передаваемыми на разных поднесущих.

ТУСУР Теория электрической связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев 12

ТУСУР Теория электрической связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев 13 Корреляционный прием и согласованная фильтрация u(t) Перемножитель w(t) Генератор опорного колебания c(t) Интегратор на интервале (to, to+τ) v

ТУСУР Теория электрической связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев 13 Корреляционный прием и согласованная фильтрация Линейный фильтр с постоянными параметрами, согласованный с сигналом uc(t), имеет импульсную характеристику В момент окончания сигнала uc(t) имеем

ТУСУР Теория электрической связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев 14 Модуляция гармонической несущей непрерывным сигналом Su(f) Sv(f) а) б) f 0 Fн Fв 0 f fo-Fв fo fo+Fв Sv(f) в) f 0 Fo-Fв fo-Fн Формы спектров: передаваемого сообщения (а), АМ сигнала (б) и АМ ОБП сигнала (в)

ТУСУР Теория электрической связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев 14 Процесс преобразования сообщения в сигнал, осуществляющийся в передатчике и обратный ему процесс, реализующийся в приемнике называют соответственно кодированием и декодированием. 1. 2. 3. 4. 5. Можно выделить следующие типы кодирования в ЦСПИ: Форматирование - преобразование сообщения источника в цифровой сигнал. Кодирование источника. Состоит в максимально возможном сжатии информации для экономии ресурсов СПИ. Кодирование канала (Помехоустойчивое). Состоит во введении регулярной избыточности, позволяющей устранить ошибки, возникающие после передачи через канал с помехами. Криптографическое кодирование. Состоит в таком преобразовании сообщения, чтобы другие пользователи не смогли понять его. Кодирование линии связи (Модуляция). Состоит в таком преобразовании сообщения, чтобы его можно было передать через среду передачи. Обычно это перенос спектра сигналов из низкочастотной области в выделенную для их передачи область высоких частот.

ТУСУР Теория электрической связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев 14 Схема цифровой системы передачи непрерывных сообщений Исходный цифровой (двоичный) поток m(t) Источник непрерывных сообщений Аналогоцифровое преобразование Кодер источника Кодер канала Модулятор s(t) Канал Принятый цифровой (двоичный) поток m(t) Получатель Цифроаналоговое преобразование Декодер источника Кодек источника Декодер канала Демодулятор Кодек канала Модем r(t)