Типичная блочная диаграмма и основные преобразования в цифровой системе связи

Функциональная блочная диаграмма, приведенная на рисунке 1.4, иллюстрирует распространение сигнала и этапы его обработки в типичной системе цифровой связи. 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 верх ним блокам. Блоки модуляции и демодуляции/обнаружения вместе называются модемом. Термин “модем” часто объединяет несколько этапов обработки сигналов, показанных на рисунке 1.4; 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, усилителя мощности и антенны, а приемник — из антенны и малошумящего усилителя. Обратное понижение частоты производится на выходе приемника и/или демодулятора. На рисунке 1.4 иллюстрируется соответствие блоков верхней (передающей) и нижней (принимающей) частей системы. Этапы обработки сигнала, имеющие место в передатчике, являются преимущественно обратными к этапам приемника.

Рисунок 1.4 Блочная диаграмма типичной системы цифровой связи

На рисунке 1.4 исходная информация преобразуется в двоичные цифры (биты) после этого биты группируются в цифровые сообщения или символы сообщений. Каждый такой символ (m_i, где i = 1,..., М) можно рассматривать как элемент конечного алфавита, содержащего М элементов. Следовательно, для М=2 символ сообщения m_i, является бинарным (т.е. состоит из одного бита). Несмотря на то что бинарные символы можно классифици ровать 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. Для систем, использующих канальное кодирование (коды коррекции ошибок), последовательность символов сообщений преобразуется в последовательность канальных символов (кодовых символов), и каждый канальный символ обозначается u_i. Поскольку символы сообщений или канальные символы мо гут состоять из одного бита или группы битов, последовательность подобных символов называется потоком битов.

Рассмотрим ключевые блоки обработки сигналов, изображенные на рисунке 1.4; Необходимыми для цифровых систем связи являются только этапы форматирования, модуляции, де модуляции/обнаружения и синхронизации.

Форматирование преобразовывает исходную информацию в биты, обеспечивая, таким образом, совместимость информации и функций обработки сигналов с системой связи. С этой точки рисунка и вплоть до блока импульсной модуляции информация остается в форме потока битов.

Модуляция — это процесс, посредством которого символы сообщений или канальные символы (если используется канальное кодирование) преобразуются в сигналы, совместимые с требованиями, налагаемыми каналом передачи данных.

Импульсная модуляция — это еще один необходимый этап, поскольку каждый символ, который требуется передать, вначале нужно преобразовать из двоичного представления (уровни напряжений представляют двоичные нули и единицы) в форму узкополосного сигнала. Термин “узкополосный” (baseband) определяет 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, направленную на минимизацию полосы передачи. При применении импульсной модуляции к двоичным символам результирующий двоичный сигнал называется сигналом в кодировке РСМ (pulse-code modulation) (Импульсно-Кодовая Модуляция). Существует несколько типов сигналов РСМ; в приложениях телефонной связи эти сигналы часто называются кодами канала. При применении импульсной модуляции к небинарным символам результирующий сигнал именуется М-арным импульсно-модулированным. Существует несколько типов подобных сигналов. После импульсной модуляции каждый символ сообщения или канальный символ принимает форму полосового сигнала g_i(t), где i = 1,.., М.,В любой электронной реализации поток битов, предшествующий импульсной модуляции, представляется уровнями напряжений. Может возникнуть вопрос, почему существует отдельный блок для импульсной модуляции, когда уровни напряжения для двоичных нулей и единиц уже можно рассматривать как идеальные прямоугольные импульсы, длительность каждого из которых равна времени передачи одного бита Существует два важных отличия между подобными уровнями напряжения и полосовыми сигналами используемыми для модуляции Во-первых, блок импульсной модуляции позволяет использовать бинарные и М-арные сигналы. Во-вторых, фильтрация, производимая в блоке импульсной модуляции, формирует импульсы длительность которых больше времени передачи одного бита Фильтрация позволяет использовать импульсы большей длительности, таким образом, импульсы расширяются на соседние временные интервалы передачи битов Этот процесс иногда называется формированием импульсов; он используется для поддержания полосы передачи в пределах некоторой желаемой области спектра.

Для приложений, включающих передачу в диапазоне радиочастот, следующим важным этапом является полосовая модуляция (bandpass modulation). Она необходима всегда, когда среда передачи не поддерживает распространение сигналов, имеющих форму импульсов. В таких случаях среда требует полосового сигнала s_i(t), где i = 1,… М. Термин (bandpass) используется для отражения того, что узкополосный сигнал g_i(t) сдвинут несущей волной на частоту, гораздо большую спектральных составляющих g_i(t) По мере распространения сигнала s_i(t) по каналу, на него воздействуют характеристики канала, которые можно выразить через импульсную характеристику h_c(t). Кроме того, в различных точках вдоль маршрута сигнала дополнительные случайные шумы искажают принятый сигнал r(t), поэтому прием должен выражаться через поврежденную версию сигнала поступающего от передатчика. Принятый сигнал r(t) можно выразить следующим образом:

; (1.5)

где знак * представляет собой операцию свертки.

В обратном направлении входной каскад приемника и/или демодулятор обеспечивают понижение частоты каждого полосового сигнала r(t). В качестве подготовки к обнаружению демодулятор восстанавливает r(t) в виде оптимального узкополосного сигнала z(t). Обычно с приемником и демодулятором связано несколько фильтров. Фильтрование производится для удаления нежелательных высокочастотных составляющих и формирования импульса.

Если импульсная характеристика канала связи h_c(t) настолько плоха, что принимаемый сигнал сильно искажен, применяется выравнивание (equalization), которое можно описать как разновидность фильтрации, используемое для удаления всех эффектов ухудшения качества сигнала, причиной которых может быть канал.

Остальные этапы обработки сигнала в модеме являются необязательными и направлены на удовлетворение специфических системных нужд.

Кодирование источника (source coding) – это преобразование аналогового сигнала в цифровой и удаление избыточной (ненужной) информации. Система может применять либо форматирование, либо кодирование источника.

Шифрование используется для обеспечения конфиденциальности связи.

Канальное кодирование (channel coding) – применяется для обеспечения заданного качества связи (уменьшения вероятности ошибки).

Уплотнение и множественный доступ объединяют сигналы с тем, чтобы они совместно могли использовать ресурс связи (полоса частот и время связи). Отличие терминов заключается в том, что уплотнение подразумевает объединение сигналов пользователей, требования которых к ресурсу связи остаются неизменными во времени, а сами пользователи находятся в одной точке пространства. Множественный доступ подразумевает объединение сигналов пользователей, требования которых к ресурсу связи меняются во времени, а сами пользователи находятся в разных точках пространства.

Расширение частоты может давать сигнал, относительно неуязвимый для помех и может использоваться для повышения уровня конфиденциальности сообщающихся сторон. Также оно является ценной технологией для множественного доступа.