Системы и сети связи

(Телекоммуникационные системы и сети).

Представление о телекоммуникационных системах с незакреплёнными каналами.

Системы с незакреплёнными каналами, это такие системы, у которых поднесущий сигнал выделяется источнику только тогда, когда он желает побеседовать – не закрепляется на всё время работы системы и в этом плане эти системы более эффективны, чем системы с закреплёнными каналами, и адресация осуществляется цифровая – индивидуальная или групповая цифровая адресация.

Представление о таких системах рассмотрим на примере телекоммуникационной системы с временным разделением кодовых слов различных источников и индивидуальной адресацией/индивидуальным кодовым признаком.

Сокращённо в литературе иногда такие системы именуют ВРК-КП – временное разделение кодовых слов с кодовым признаком.

Упрощённая функциональная схема телекоммуникационной системы ВРК-КП

		УА – устройство адресации БЗУ – буферное запоминающее устройство

Как работает такая система?

На выходе кодеров источника (КИ) получаем случайный поток цифровых кодовых слов.

При таком представлении отвлекаемся от содержания кодовых слов – учитываем только характеристики потока этих кодовых слов: интервалы между кодовыми словами, сколь часто они следуют.

Если использовать такую символику, то в каждом канале мы будем иметь, указанные на рис.1, некоторые потоки кодовых слов.

Эти потоки кодовых слов поступают на вход буферного накопителя (БЗУ) и записываются в нём в порядке поступления.

Буферный накопитель объёмом N единиц с очередью. Длина очереди l(t) случайна. На вход в порядке возникновения поступают кодовые слова, изображённые точками (рис.3).

Из буферного накопителя кодовые слова извлекаются на передачу с постоянным интервалом Т_СЛ.

В точке # на рисунке 1 получаем квазирегулярный поток кодовых слов:

Х – пропуск, т.е. может быть такой вариант, когда есть возможность передачи, т.е. свободен поднесущий сигнал, а буферный накопитель пуст. Такая ситуация называется "ситуацией холостого хода"

К кодовым словам, извлечённым из БЗУ, добавляется избыточность в кодере канала (КК) и далее они поступают на модулятор несущего сигнала (МН), передатчик (ПДК) и передаются через приёмную часть системы.

В приёмной части системы осуществляются необходимые процедуры демодуляции, декодирования канала. Далее в селекторе адреса (СА) выделяется адресная часть.

Для того чтобы правильно выделить адресную часть должна работать система синхронизации – символьной и словной синхронизации – необходимо точно знать границы кодовых слов. Из границ кодовых слов определяем какая часть кодового слова является адресом.

Таким образом селектируется адрес. Этот адрес поступает в адресный коммутатор (АК) и по этому адресу соответствующая информационная часть поступает в канал соответствующего потребителя.

Такая система более эффективно использует ресурсы телекоммуникационной системы.

Платой за более эффективное использование ресурсов являются:

1) Прежде всего может оказаться, что длина очереди в БЗУ достигает границы, т.е. буфер полностью переполнен – тогда следующее кодовое слово канального сигнала будет потеряно – возникает вероятность того, что будут потеряны из-за переполнения буфера кодовые слова.

Потеря будет приводить к тому, что будет увеличиваться ошибка передачи первичного сигнала.

Величина этой дополнительной ошибки зависит от вероятности потери. Величина вероятности потери будет зависеть от объёма БЗУ (чем больше, тем вероятность меньше) и от интенсивности потоков которые получает от всех источников, т.е. будет зависеть от свойств всех источников. Таким образом через потери все источники будут мешать каждому. Это явление эквивалентно явлению междуканальных помех. Первая причина междуканальных помех в таких системах – это возникновения потерь из-за переполнения буфера.

2) Каждое кодовое слово, попадая в БЗУ, ждёт своей передачи случайный интервал времени. Этот интервал времени будет равен:

l(t) – число кодовых слов очереди,

θ – некий интервал времени в пределах кодового слова, потому что на вход буфера кодовые слова поступают не в тактовые моменты, а могут поступать между тактовыми моментами.

Это τ _{задержки} случайно, поскольку случайна длина очереди и случаен момент появления кодового слова в БЗУ. Из-за задержки будет нарушаться реальный масштаб времени по случайному, не известному потребителю закону.

Это будет также приводить к дополнительным ошибками передачи первичного сигнала. Эти ошибки будут тем больше, чем больше величина задержки.

Величина задержки будет зависеть от объёма буферного накопителя (чем больше объём БЗУ, тем больше будет возможная длина очереди и тем больше будет величина задержки) и от самой длины очереди, а длина очереди будет зависеть от интенсивности входных потоков, т.е. будет зависеть от свойств первичных сигналов. Через задержку все источники будут мешать каждому из них.

Следовательно, это явление задержки можно рассматривать как вторую причину междуканальных помех в такого типа системах.

3) Адрес – это кодовое слово, т.е. адрес состоит из символов "1" и "0". При передаче эти символы, так же как и информационные символы могут искажаться под воздействием помех. Если адрес исказится, то кодовое слово одного источника попадёт к другому потребителю, и опять же будет вызывать дополнительную ошибку первичного сигнала. Тут сразу в двух каналах появится ошибка: там, где будет потеряно кодовое слово из-за того, что адрес искажён, и там где оно появится – там тоже будет помеха. Это третья категория междуканальных помех, которые возникают в такого типа системах – из-за искажения адресной части кодового слова.

	0^ч32^м05^с
	0^ч37^м03^с

Модемы телекоммуникационных систем

Мы рассматривали оптимальный вариант обеспечения помехоустойчивости системы.

Оптимальный вариант состоял в том, что в приёмной части системы использовали оптимальный демодулятор, а в передающей части – оптимальный модулятор, т.е. модулятор, который использовал оптимальный набор сигналов. Есть два способа передачи цифровых сигналов:

1. поэлементная передача
2. передача в целом

Школа академика Котельникова смогла доказать, что в том случае, когда помеха и сигнал аддитивны, и помеха гауссова, то оптимальный демодулятор является линейным корреляционным, а оптимальный модулятор при посимвольной передаче двухканальный, потому что два символа, и оптимальный модулятор должен формировать два противоположных сигналов – в этом случае минимизируется вероятность ошибки. При передаче и приёме в целом, оптимальный демодулятор, если выполняются все эти условия, является опять же линейным, но многоканальным – число каналов соответствует количеству разновидностей блоков: 2^Ки. А оптимальный модулятор должен формировать оптимальный набор сигналов – равноудалённых, симплексных сигналов.

В случае когда помеха не аддитивна или помеха аддитивна, но не гауссова, оптимальный демодулятор будет нелинейным и в каждом конкретном случае поиск его является достаточно сложной задачей.

Передача и приём в целом обеспечивает более высокую помехоустойчивость, чем передача и приём поэлементно. Причём тем большую помехоустойчивость, чем больше длина передаваемого блока. Но с ростом длины передаваемого блока увеличивается сложность и модулятора, и демодулятора – в модуляторе увеличивается число сигналов, в демодулятор увеличивается число каналов.

Поэтому возникла идея компромисса, который позволил бы с одной стороны обеспечить высокую помехоустойчивость, а с другой стороны позволил бы получить относительную простоту модулятора и демодулятора. Таким компромиссом является использование поэлементной передачи и приёма с добавлением кодирования канала.

Какие варианты модуляторов и демодуляторов при посимвольной передачи и приёме используются в реальных системах.

Наилучшим модулятором является модулятор, который формирует два противоположных сигнала – два радиосигнала с изменением фазы на π радиан, т.о. оптимальным модулятором будет фазовый модулятор (фазовый манипулятор). Это такой модулятор, который символу "1" ставит в соответствие радиоимпульс с нулевой условно фазой, а символу "0" – с фазой π радиан.

Но не всегда такой вид модуляции применим – фазовая манипуляция является наиболее широкополосной.

Ещё один очень важный момент. Есть два вариант оптимальных демодуляторов:

– использующий корреляционную обработку

– использующие вместо корреляционной обработки эквивалентные согласованные фильтры

Эти два вариант отличаются друг от друга. Прежде всего, тем, что при использовании СФ не можем учитывать воздействие эффекта Доплера – не можем эффективно использовать подсистему синхронизации.

Если использовать демодулятор с корреляционной обработкой, то в каждом канале демодулятора имеется интегратор и решение принимается по результатам интегрирования.

Интегратор сглаживает радиоимпульс, т.е. по существу на выходе интегратора формируется огибающая радиоимпульса и решения принимаются по огибающей. И поскольку решение принимается по огибающей, то небольшие изменения в синхронизации (– в моменте принятия решения, потому что решение принимается в момент завершения импульса – интегратор работает от нуля до τ_{импульса} – решение принимается в конце символа) при этом не существенно влияет на решения, потому что огибающая медленно изменяется.

Когда используем СФ-ы – решения принимаются не по огибающей, а по высокочастотному заполнению на выходе СФ-ов. И поскольку высокая частота, то небольшое изменение и можем перейти от амплитуды к провалу – могут возникнуть серьёзные ошибки.

Поэтому демодулятор с СФ-ами очень чувствителен к точности определения момента принятия решения, к точности подсистемы тактовой синхронизации.

А демодулятор с корреляционной обработкой чувствителен к точности воспроизведения образцов сигналов генератором образцов сигналов (ГОС).

В реальных демодуляторах стараются объединить преимущества согласованной фильтрации и корреляционной обработки. Фильтрации от помех осуществляется с помощью СФ-ов, а принятие решения осуществляется по огибающей.

На этом принципе строятся реальные модемы, которые мы рассмотрим ниже.

1. Модем с амплитудной манипуляцией сигналов (АМ)

0^ч 49^м 55^с

В передающей части групповой сигнал или сигнал в зависимости от принципа построения антенны поступаен на вход амплитудного модулятора (АМ). В АМ происходит амплитудная манипуляция – амплитудная модуляция цифровым или импульсным сигналом.

Её сущность заключается в том, что если на вход модулятора поступает символ x₁ =1, то на выходе манипулятора формируется радио импульс определённой частоты – f_{несущая}

и определённой длительности –  _СИМВ – сигнал S₁(t).

Если на вход модулятора поступает x₂ =0, то на выходе модулятора/манипулятора формируется сигнал S₂(t) – пауза. На интервале  _СИМВ сигнал нулевой – пассивная пауза – действуют только помехи. Амплитудная манипуляция формирует радио сигнал с пассивной паузой.

Схема демодулятора

На вход демодулятора поступает радио сигнал с помехами. Как говорилось выше вначале идёт фильтрация от помех – СФ с радио импульсом длительностью  _СИМВ и частотой f_н, далее демодулятор огибающей (ДО), далее фильтр нижних частот (ФНЧ), который фильтрует продукты демодуляции, далее видеоусилитель (ВУ) и далее решающее устройство (РУ).

РУ принимает решение по следующему принципу:

Если сигнал на выходе видеоусилителя U _X (t) больше U _ПОРога (t) формируется на выходе символ, соответствующий "1", например положительный видеоимпульс.

Если U _X (t) меньше или равно U _ПОРога (t) формируется символ "0" – нулевое значение.

Должны определиться две вещи:

– момент принятия решения, т.е. должны быть устройства синхронизации, которые определяют момент принятия решения

– должна быть система автоматической регулировки усиления (АРУ)

АРУ решает очень важную задачу.

Чтобы понять какую задачу, необходимо понять, что происходит в такого типа системах.

Когда передаётся "1", то в этом случае на входе РУ по существу имеем огибающую смеси сигнала с помехой. Когда передаётся "0", то на входе РУ имеется огибающая чистой помехи (шума). При этом возможны следующие ситуации:

1 – Если огибающая U _{Сигнал+Шум} (t) в момент принятия решения оказывается больше U _ПОРога (t) – принимается правильное решение о том, что передавалась "1".

Но в результате воздействия помехи может оказаться так, что

2 – U _С+Ш (t) < U _ПОРога (t) – тогда будет принято решение, что передавался "0" – это ошибка

Аналогично, когда передавался "0", может оказаться что

3 – U _Ш (t) > U _ПОРога (t) – тогда будет принято ошибочное решение, что передавалась "1".

4 – U _Ш (t) ≤ U _ПОРога (t) – будет принято решение, что передавался "0" – правильное решение.

Тогда средняя вероятность ошибочного приёма символа будет равна:

Вероятность того, что передавалась "1" – P(1)

Вероятность того, что огибающая сигнал + шум будет меньше порога – P(U _С+Ш (t) < U _ПОР (t))

Вероятность того, что передавался "0" – P(0)

Вероятность того, что огибающая чистого шума окажется больше порога – P(U _Ш (t) > U _ПОР (t))

Поскольку это огибающие, то они будут иметь положительные значения. y и z – это параметры.

Если хорошо построили систему – если хорошо провели кодирование источника, то

тогда P(1) ≈P(0). Тогда вероятность ошибочного приёма символа будет определяться суммой вероятностей: P(U _С+Ш (t) < U _ПОР (t)), P(U _Ш (t) > U _ПОР (t)).

Если нам известна плотность вероятности, то:

1 –

Это будет площадь заштрихованная – " "

2 –

Это будет площадь заштрихованная – " / / / / "

Суммарная вероятность – средняя вероятность ошибочного приёма будет равна сумме этих площадей.

Посмотрим что будет происходить при изменении U_пор:

Двигаем U_пор вправо – вероятность 1 будет нарастать, вероятность 2 – уменьшаться.

Но поскольку крутизна W­_иш(y) больше, чем W­_ис+ш(z), то до точки их пересечения увеличение вероятности 1 будет меньше, чем уменьшение вероятности 2. Т.е. до точки пересечения их сумма будет уменьшаться.

Рассмотрим отрезок после точки пересечения кривых:

Вероятность 1 будет увеличиваться круто (быстрее), а вероятность 2 будет уменьшаться медленно, т.е. сумма будет увеличиваться.

Т.е. влево и вправо от точки пересечения кривых сумма будет увеличиваться.

Следовательно там, где эти две плотности пересекаются, будет оптимальная величина порога U_{пороптм} , которая минимизирует вероятность ошибки.

В такой системе существует оптимальное значение порога.

1^ч 09^м 20^с

Что будет происходить, если уровень шума увеличивается?

Кривая

Т.е. U_{пороптм} будет меняться. Если мы хотим поддерживать минимальную вероятность ошибочного приёма символа, мы должны в соответствии с изменением помехи менять оптимальную величину порога.

Автоматическая регулировка усиления (АРУ) обеспечивает изменение оптимального порога в соответствии с изменением отношения сигнал/шум. АРУ строится таким образом, чтобы при изменении отношения сигнал/шум всегда устанавливать оптимальную величину порога.

Такой модем, как можно заметить, достаточно прост в реализации, требует минимальной полосу частот, поскольку амплитудная модуляция – это модуляция, обеспечивающая радиосигнал с минимальной шириной спектра. Но при этом помехоустойчивость оставляет желать лучшего. Наихудшая помехоустойчивость из-за пассивной паузы. Пассивная пауза – это почва для возникновения дополнительных ошибок.

Более эффективным методом построения модема является модем с частотной манипуляцией несущего сигнала.

2. Модем с частотной манипуляцией сигнала (ЧМ)

В модеме с ЧМ несущего сигнала на вход модулятора поступает либо S_∑и(t), либо η_iи(t).

ЧМ – частотный манипулятор.

Когда передаётся символ x₁ =1 ставится в соответствие сигнал S₁(t)

– радиоимпульс частоты f₁, при передаче "0" манипулятор ставит в соответствие "0" сигнал S₂(t)

– радиоимпульс частоты f₂

Спектры этих сигналов будут выглядеть:

Ширина лепестков спектров будет одинакова, поскольку одинакова длительность символа. Различаются – на разных частотах, между этими частотами будет разброс частот:

Боковые лепестки этих спектров будут перекрываться. Это перекрытие боковых лепестков спектров будет естественно вызывать дополнительные ошибки при их демодуляции. Естественно, что чем больше величина (6), тем величина ошибки демодуляции будет меньше, но при этом будет возрастать полоса частот, которая необходима для работы телекоммуникационной системы. Поэтому тут имеется компромисс, который будет зависеть от того, сколько стоит эта полоса частот и сколько стоит увеличение ошибки демодулятора – Δ w_{оптимальное}.

Имеется два варианта построения демодуляторов при частотной манипуляции:

1. Линейный вариант построения демодулятора

Выглядит следующим образом:

Два канала – в каждом канале СФ, демодуляторы огибающей (ДО), фильтры нижних частот (ФНЧ), могут быть видеоусилители (ВУ), устройство сравнения (), решающее устройство (РУ).

РУ принимает решение по принципу, указанному на рис.13.

Согласованные фильтры согласованы соответственно с радиоимпульсами частоты f₁ и f₂ соотвенственно.

УС – система синхронизации, определяющая момент отсчёта.

Обратите внимание, что поскольку схема двухканальная, в каждом канале может быть согласованный фильтр, т.е. фильтр, который обеспечивает максимально возможную фильтрацию от помех.

Эта схема хороша тем, что если выходит из строя один из каналов, демодулятор продолжает работать. С худшими характеристиками, но продолжает работать.

Схема линейная – нет нелинейных искажений и нет продуктов нелинейных искажений.

2. Нелинейный вариант построения демодулятора

3. Модем с фазовой манипуляцией сигналов (ФМ)

Дата добавления: 2014-01-14