Цифровая модуляция в системах подвижной связи

ТЕМА 3 МОДЕЛЬ ЦИФРОВОЙ СИСТЕМЫ СВЯЗИ.

Рассмотрим общую модель цифровой системы связи, (рисунок 3.1).

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

Рисунок 3.1 – Модель цифровой системы связи

В стандартной телефонии эту операцию выполняет кодер, использующий импульс - но - кодовую модуляцию – ИКМ (англ. Pulse-Code Modulation – РСМ ). Он производит дис -

кретизацию поступающего с микрофона аналогового сигнала с частотой 8 кГц и, применяя стандартизованную нелинейную характеристику, сопоставляет каждому фрагменту 8- битную последовательность.

При квантовании 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 дина - мические характеристики человеческого уха, для представления каждой определенной выборки достаточно 8- ми битного кодового слова. При использовании линейного аналого - цифрового преобразования сравнимое качество достижимо при длине слова в 1 2 – 13 бит.

Другой пример кодера речевого сигнала – это кодер дифференциальной импульсно -

кодовой модуляции – ДИКМ (англ. Differential Pulse-Code Modulation – DPCM). Принцип

действия кодера основан на четкой взаимосвязи между соседними отсчетами голосового сигнала, поэтому кодируется только их разность.

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 час - то, другие – редко. Хороший кодер источника «подгоняет» длину двоичных последова - тельностей под статистические свойства источника сообщений. Для более эффективного представления генерируемой источником информации все чаще применяется сжатие. Эффективность проявляется в уменьшении среднего количества бит, используемых для кодирования одного сообщения.

Некоторые физические явления, происходящие в каналах связи, приводят к возник - новению ошибок приемника. Эти ошибки можно представить разностью между передан - ной и восстановленной двоичной последовательностью из принятого сигнала. Для того чтобы исправить или, по крайней мере, обнаружить ошибки, применяются канальный ко-дер в передатчике и канальный декодер в приемнике.

К информационным блокам добавляется определенное число выбранных особым об - разом 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 пере - дачи. Обнаружение и коррекция ошибок широко применяются в системах подвижной свя - зи.

Модулятор – это блок, генерирующий синусоидальный сигнал (несущую частоту), 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 сфор - мированные спектральные параметры. Это свойство сигнала – важнейшее для систем под - вижной связи. Здесь необходимо эффективно использовать выделенные спектральные ре - сурсы, 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. Распределение частот

злектромагнитного спектра между радиосистемами является предметом международных переговоров и соглашений.

Понятие многостанционного доступа к среде передачи тесно связано со свойства - ми 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 ме -

тод доступа к каналу связи называется многостанционным доступам с частотным раз-

делением каналов (англ. Frequency Division Multiple Access – FDMA).

При другом способе реализации все пользователи работают на одной несущей часто - те, но в разное время. Такой подход называется многостанционным доступом с времен-

ным разделением каналов (англ. Time Division Multiple Access – TDMA).

Третий метод называется многостанционным доступом с кодовым разделением каналов (англ. Code Division Multiple Access – CDMA).

Передающие устройств a могут генерировать сигналы, которые занимают весь диапа - зон 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, одно - временно поступающих из различных источников.

Возможны комбинации описанных выше методов многостанционного доступа. Высокочастотный узел (ВЧ блок) работает в радиочастотном диапазоне и усилива -

ет радиосигнал до требуемого уровня. Ширина полосы сигнала зависит от выбранного ти - па модуляции и используемого метода многостанционного доступа. Обычным требовани - ем к применяемому в системе подвижной связи усилителю ВЧ является ограничение энер - гопотребления. Например, мобильный телефон должен потреблять как можно меньше энергии для того, чтобы увеличить время между перезарядками батареи. Поэтому усили - тель ВЧ должен обладать большим динамическим диапазоном и вынужден функциониро - вать в нелинейной области своих характеристик. Прямым следствием этого факта стано - вится выбор методов цифровой модуляции, используемых в системах подвижной связи. Компенсировать нелинейные искажения, вносимые усилителем ВЧ, позволяет примене - ние 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. Осо - бенно важную роль играют параметры направленного действия и усиления антенны. Ха - рактеристики антенны определяют рабочий диапазон системы и ее эффективность.

Преобразования, производимые в приемнике, имеют обратное соответствие процес - сам, происходящим в передатчике. После усиления и фильтрации в каскадах ВЧ блока принятый сигнал демодулируется.

Xap акте p преобразования зависит от применяемого метода цифровой модуляции и параметров канала.

Основная задача демодулятора – выделить последовательность импульсов из моду - лированного сигнала, полученного после ВЧ обработки. На основе этих импульсов де-

тектор выделяет из принятого сигнала переданные символы данных и преобразует их вдвоичные последовательности.

Канальный декодер, используя добавленные канальным кодером резервные биты, атакже дополнительную информацию о достоверности принятого сигнала, определяет ко - довую последовательность. Из полученной кодовой последовательности выделяется дво - ичная информационная составляющая. Именно она является основной целью декодирова - ния.

В качестве примеров канальных декодеров можно привести блок декомпрессии, вос - станавливающий оригинальную информацию из сжатых данных, и синтезатор речи, гене - рирующий голосовой сигнал. В последнем случае декодированный сигнал претерпевает

преобразование цифра – аналог и попадает через усилитель и громкоговоритель в прием-ник сообщений - ухо пользователя.

Дата добавления: 2014-01-15