Обработка сигналов в цифровой связи

1. Причина замены аналоговой связи на цифровую.

Основным преимуществом цифровой связи 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:

1. Поскольку все каналы и линии передачи имеют неидеальную частотную характеристику, идеальный импульс искажается;

2. Нежелательные электрические шумы или другое воздействие со стороны еще больше искажает форму импульса. Чем протяженнее канал, тем существеннее эти механизмы искажают импульс (рисунок 1.1). В тот момент, когда переданный импульс все еще 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 операционную 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, наоборот, не являются сигналами с двумя состояниями; они могут принимать бесконечное множество форм. В аналоговых каналах да же 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.

Рисунок 1.1 Искажение и восстановление формы импульса

Существуют и другие в преимущества цифровой связи. Цифровые каналы надежнее и могут производиться по более низким ценам, чем аналоговые. Кроме того, цифровое программное обеспечение позволяет более гибкую реализацию, чем аналоговое (например, микропроцессоры, цифровая коммутация и большие интегральные схемы. 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) 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. Кроме того, обмен данными в основном производится между двумя компьютерами или между компьютером и цифровыми устройствами или 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 необходимо выделение значительной части ресурсов для синхронизации на личных уровнях. Аналоговые системы, наоборот, легче синхронизировать. Еще одним недостатком систем цифровой связи является то, что ухудшение качества носит пороговый характер. Если отношение сигнал/шум падает ниже некоторого порога, качество обслуживания может внезапно измениться от очень хорошего до очень плохого. В аналоговых же системах ухудшение качества происходит более плавно.

Главным же преимуществом цифровой связи по сравнению с аналоговой является то, что цифровая связь позволяет реализовать любое, априорно заданное качество связи, выражающееся в вероятности битовой ошибки.

Основные понятия и определения цифровой связи

Информация - это сведения, являющиеся объектом передачи, распределения, преобразования, хранения или непосредственного использования.

Сообщение является формой представления информации.

Одно и то же сведение может быть представлено в различной форме. Например, сведение о моменте начала наступления может быть передано по телефону или телеграфом или тремя зелеными ракетами. В первом случае мы имеем дело с информацией, представленной в непрерывном виде (непрерывное сообщение). Будем считать, что это сообщение вырабатывается источником непрерывных сообщений. Во втором и в третьем случае - с информацией, представленной в дискретном виде (дискретное сообщение). Это сообщение вырабатывается источником дискретных сообщений.

Основное отличие дискретного и непрерывного источников состоит в следующем. Множество всех различных сообщений, вырабатываемых дискретным источником всегда конечно. Поэтому на конечном отрезке времени количество символов дискретного источника так же является конечным. В то же время число возможных различных значений звукового давления (или напряжения в телефонной линии), измеренное при разговоре, даже на конечном отрезке времени, будет бесконечным.

Информация, содержащаяся в сообщении, передается от источника сообщений к получателю по каналу передачи дискретных сообщений (ПДС) (рисунок 1.2).

Рисунок1.2 Тракт передачи дискретных сообщений

Характеристики источника дискретных сообщений.

Сообщение поступает от источника дискретных сообщений, который характеризуется алфавитом передаваемых сообщений .

Алфавит – есть совокупность всех возможных (различных) сообщений (знаков) данного источника.

Объем алфавита – число различных символов алфавита К.

Принципиальное отличие систем аналоговой и цифровой связи связано со способом оценки их производительности. Критерием производительности систем связи является точность воспроизведения на приемном конце переданного сигнала. В качестве оценки производительности аналоговых систем может выступать процент искажения или ожидаемая среднеквадратическая ошибка между переданным и принятым сигналами. Критерием качества связи в цифровых системах является вероятность неверного обнаружения цифры или вероятность ошибки.

В системе цифровой связи каждое сообщение алфавита появляется с некоторой вероятностью.

Вероятность выдачи символа (сообщения)– .

Количество информации в сообщении (символе) определяется вероятностью его появления. Чем меньше вероятность появления того или иного сообщения, тем большее количество информации мы извлекаем при его получении. В 1928г. Хартли предложил определять количество информации, которое приходится на одно сообщение , выражением

. (1.1)

Энтропия. Среднее количество информации Н(А), которое приходится на одно сообщение, поступающее от источника без памяти, получим, применяя операцию усреднения по всему объему алфавита

, (1.2)

Выражение (1.2) известно как формула Шеннона для энтропии источника дискретных сообщений. Энтропия - мера неопределенности в поведении источника дискретных сообщений. Энтропия равна нулю, если с вероятностью единица источником выдается всегда одно и то же сообщение (в этом случае неопределенность в поведении источника сообщений отсутствует). Энтропия максимальна, если символы источника появляются независимо и с одинаковой вероятностью.

Один бит - это количество информации, которое переносит один символ источника дискретных сообщений в том случае, когда алфавит источника состоит из двух равновероятных символов.

Среднее количество информации, выдаваемое источником в единицу времени, называют производительностью источника

, [бит/с], (1.3)

где - среднее время, отводимое на передачу одного символа (сообщения).

Основные характеристики канала ПДС.

Для каналов передачи дискретных сообщений вводят аналогичную характеристику - скорость передачи информации по каналу R. Она определяется количеством бит, передаваемых в секунду. Максимально возможное значение скорости передачи информации по каналу называется пропускной способностью канала и обозначается С.

Пропускная способность непрерывного канала с белым гауссовским шумом определяется известной формулой Шеннона

. (1.4)

Как видно из выражения данная величина определяется шириной полосы пропускания и соотношением сигнал-шум. Формула (1.4) определяет теоретическую верхнюю границу безошибочной пропускной способности канала связи. Если действительная пропускная способность канала меньше, то при использовании соответствующих кодов коррекции ошибок можно приблизиться к величине, определяемой формулой (1.4).

Сигналы – форма сообщения для передачи по каналу связи. Любая система связи обеспечивает передачу именно сигналов, а не сообщений. Поэтому сообщение, поступающее от источника, предварительно должно быть преобразовано в сигнал определенной природы (электрический, оптический …), который является его переносчиком в данной системе связи.

Сигналы, формируемые на выходе преобразователя дискретного сообщения в сигнал, как правило, являются по информационному параметру дискретными, то есть описываются функцией дискретного времени и конечным множеством возможных значений. В технике передачи данных такие сигналы называют цифровыми сигналами данных (ЦСД).

Рассмотрим далее основные определения, относящиеся к ЦСД.

Представляющий (информационный) параметр сигнала данных - параметр сигнала данных, изменение которого отображает изменение сообщения.

На рисунке 1.3. изображен ЦСД, представляющим параметром которого является амплитуда, а множество возможных значений представляющего параметра равно двум (U=U₁ и U=0).

Рисунок 1.3 Цифровой сигнал данных

Элемент ЦСД - часть цифрового сигнала данных, отличающаяся от остальных частей значением одного из своих представляющих параметров .

Значащая позиция - фиксируемое значение состояния представляющего параметра сигнала.

Значащим моментом (ЗМ ) - момент, в который происходит смена значащей позиции сигнала.

Значащим интервалом времени - интервал времени между двумя соседними значащими моментами сигнала.

Единичный интервал - минимальный интервал времени, которому равны значащие интервалы времени сигнала, (интервалы а-б, б-в и другие на рисунке 1.3).

Единичный элемент - э лемент сигнала, имеющий длительность, равную единичному интервалу времени.