Лекции по Теоретическим основам цифровой связи   

1. Сигналы и спектры

1.1.2.  Типичная блочная диаграмма и основные преобразования

Функциональная блочная диаграмма, приведенная на рис. 1.2, иллюстрирует распространение сигнала и этапы его обработки в типичной системе цифровой связи (DCS). Этот рисунок является чем-то вроде плана, направляющего читателя по главам данной книги. 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 верхним блокам. Блоки модуляции и демодуляции/обнаружения вместе называются модемом. Термин «модем» часто объединяет несколько этапов обработки сигналов, показанных на рис. 1.2; 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 (radio frequency - RF), усилителя мощности и антенны, а приемник - из антенны и малошумящего усилителя (low-noise amplifier - LNA). Обратное понижение частоты производится на выходе приемника и/или демодулятора.

На рис. 1.2 иллюстрируется соответствие блоков верхней (передающей) и нижней (принимающей) частей системы. Этапы обработки сигнала, имеющие место в передатчике, являются преимущественно обратными к этапам приемника. На рис. 1.2 исходная информация преобразуется в двоичные цифры (биты); после этого биты группируются в цифровые сообщения или символы сообщений. Каждый такой символ ( где ) можно рассматривать как элемент конечного алфавита, содержащего М элементов. Следовательно, для М=2 символ сообщения является бинарным (т.е. состоит из одного бита). Несмотря на то что бинарные символы можно классифицировать 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. (Сравните подобный конечный алфавит систем DCS с тем, что мы имеем в аналоговых системах, когда сигнал сообщения является элементом бесконечного множества возможных сигналов.) Для систем, использующих канальное кодирование (коды коррекции ошибок), последовательность символов сообщений преобразуется в последовательность канальных символов (кодовых символов), и каждый канальный символ обозначается . Поскольку символы сообщений или канальные символы могут состоять из одного бита или группы битов, последовательность подобных символов называется потоком битов (рис. 1.2).

Рассмотрим ключевые блоки обработки сигналов, изображенные на рис. 1.2; необходимыми для систем DCS являются только этапы форматирования, модуляции, демодуляции/обнаружения и синхронизации.

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

Рис. 1.2. Блочная диаграмма типичной системы цифровой связи

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 PCM (pulse-code modulation - импульсно-кодовая модуляция). Существует несколько типов сигналов РСМ (описанных в главе 2); 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, которые также описаны в главе 2, где основное внимание уделяется амплитудно-импульсной модуляции (pulse-amplitude modulation - РАМ). После импульсной модуляции каждый символ сообщения или канальный символ принимает форму полосового сигнала , где . В любой электронной реализации поток битов, предшествующий импульсной модуляции, представляется уровнями напряжений. Может возникнуть вопрос, почему существует отдельный блок для импульсной модуляции, когда фактически 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 модуляций позволяет использовать бинарные и М-арные сигналы. В разделе 2.8.2 описаны различные полезные параметры этих типов сигналов. 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 , где . Термин «полосовой» (bandpass) используется для отражения того, что узкополосный сигнал сдвинут несущей волной на частоту, гораздо большую спектральных составляющих . По мере распространения сигнала по каналу, на него воздействуют характеристики канала, которые можно выразить через импульсную характеристику (см. раздел 1.6.1). Кроме того, в различных точках вдоль маршрута сигнала дополнительные случайные шумы искажают принятый сигнал , поэтому прием должен выражаться через поврежденную версию сигнала , поступающего от передатчика. Принятый сигнал можно выразить следующим образом:

, (1.1)

где знак «*» представляет собой операцию свертки (см. приложение A), а - процесс шума (см. раздел 1.5.5).

В обратном направлении входной каскад приемника и/или демодулятор обеспечивают понижение частоты каждого полосового сигнала . В качестве подготовки к обнаружению демодулятор восстанавливает в виде оптимального огибающего узкополосного сигнала . Обычно с приемником и демодулятором связано несколько фильтров - фильтрование производится для удаления нежелательных высокочастотных составляющих (в процессе преобразования полосового сигнала в узкополосный) и формирования импульса. Выравнивание можно описать как разновидность фильтрации, используемой в демодуляторе (или после демодулятора) для удаления всех эффектов ухудшения качества сигнала, причиной которых мог быть канал. Выравнивание (equalization) необходимо в том случае, если импульсная характеристика канала настолько плоха, что принимаемый сигнал сильно искажен. Эквалайзер (устройство выравнивания) реализуется для компенсации (т.е. для удаления или ослабления) всех искажений сигнала, вызванных неидеальной характеристикой . И последнее, этап дискретизации преобразовывает сформированный импульс в выборку для восстановления (приблизительно) символа канала или символа сообщения (если не используется канальное кодирование). Некоторые авторы используют термины «демодуляция» и «обнаружение» как синонимы. В данной книге под демодуляцией (demodulation) подразумевается восстановление сигнала (полосового импульса), а под обнаружением (detection) - принятие решения относительно цифрового значения этого сигнала.

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 (для аналоговых источников) и удаление избыточной (ненужной) информации. Отметим, что типичная система DCS может использовать либо кодирование источника (для оцифровывания и сжатия исходной информации), либо более простое преобразование форматирование (только для оцифровывания). Система не может одновременно применять и кодирование источника, и форматирование, поскольку первое уже включает необходимый этап оцифровывания информации. Шифрование, которое используется для обеспечения секретности связи, предотвращает понимание сообщения несанкционированным пользователем и введение в систему ложных сообщений. Канальное кодирование (channel coding) при данной скорости передачи данных может снизить вероятность ошибки РЕ или уменьшить отношение сигнал/шум, необходимое для получения желаемой вероятности РЕ за счет увеличения полосы передачи или усложнения декодера. Процедуры уплотнения (multiplexing) и множественного доступа (multiple access) объединяют сигналы, которые могут иметь различные характеристики или могут поступать от разных источников, с тем, чтобы они могли совместно использовать часть ресурсов связи (например, спектр, время). Расширение частоты (frequency spreading) может давать сигнал, относительно неуязвимый для интерференции (как естественной, так и умышленной), и может использоваться для повышения конфиденциальности сообщающихся сторон. Также оно является ценной технологией, используемой для множественно доступа.

Блоки обработки сигналов, показанные на рис. 1.2, представляют типичную схему системы цифровой связи; впрочем, эти блоки иногда реализуются в несколько ином порядке. Например, уплотнение может происходить до канального кодирования или модуляции либо - при двухэтапном процессе модуляции (поднесущая и несущая) - оно может выполняться между двумя этапами модуляции. Подобным образом блок расширения частоты может находиться в различных местах верхнего ряда рис. 1.2; точное его местонахождение зависит от конкретной используемой технологии. Синхронизация и ее ключевой элемент, синхронизирующий сигнал, задействованы во всех этапах обработки сигнала в системе DCS. Для простоты блок синхронизации на рис. 1.2 показан безотносительно к чему-либо, хотя фактически он участвует в регулировании операций практически в каждом блоке, приведенном на рисунке.

На рис. 1.3 показаны основные функции обработки сигналов (которые можно рассматривать как преобразования сигнала), разбитые на следующие девять групп.

Рс.1.3. Основные преобразования цифровой связи

1.     Форматирование и кодирование источника

2.     Узкополосная передача сигналов

3.     Полосовая передача сигналов

4.     Выравнивание

5.     Канальное кодирование

6.     Уплотнение и множественный доступ

7.     Расширение спектра

8.     Шифрование

9.     Синхронизация

Хотя пункты такого разделения частично перекрываются, все же это позволяет удобно упорядочить материал книги. Начиная с главы 2 поочередно рассматриваются все девять основных преобразований. В главе 2 исследуются основные методы форматирования, используемые для преобразования исходной информации в символы сообщений. Кроме того, здесь описывается выбор узкополосного сигнала и фильтрация импульса, обеспечивающая совместимость символов сообщений с узкополосной передачей. Обратные этапы демодуляции, выравнивания, дискретизации и обнаружения представлены в главе 3. Форматирование и кодирование источника являются подобными процессами, поскольку оба включают оцифровывание данных. Впрочем, термин «кодирование источника» подразумевает дополнительное сжатие данных и рассматривается позднее (глава 13) как частный случай форматирования.

На рис. 1.3 блок Узкополосная передача сигналов содержит перечень бинарных альтернатив при использовании модуляции РСМ или линейных кодов. В этом блоке также указана небинарная категория сигналов, называемая М-арной импульсной модуляцией. Еще одно преобразование на рис. 1.3, помеченное как Полосовая передача сигналов, разделено на два основных блока, когерентный и некогерентный. Демодуляция обычно выполняется с помощью опорных сигналов. При использовании известных сигналов в качестве меры всех параметров сигнала (особенно фазы) процесс демодуляции называется когерентным; когда информация о фазе не используется, процесс именуется некогерентным. Обе технологии подробно описаны в главе 4.

Глава 5 посвящена анализу канала связи. Среди множества спецификаций, анализов и табличных представлений, поддерживающих разработку систем связи, анализ канала связи занимает особое место, поскольку позволяет представить общую картину системы. В главе 5 воедино сводятся все основные понятия канала связи, необходимые для анализа большинства систем связи.

Канальное кодирование связано с методами, используемыми для улучшения цифровых сигналов, которые в результате становятся менее уязвимыми к таким факторам ухудшения качества, как шум, замирание и подавление сигнала. На рис. 1.3 канальное кодирование разделено на два блока, блок кодирования формой сигнала и блок структурированных последовательностей. Кодирование формой сигнала включает использование новых сигналов, привносящих улучшенное качество обнаружения по сравнению с исходным сигналом. Структурированные последовательности включают применение дополнительных битов для определения наличия ошибки, вызванной шумом в канале. Одна из таких технологий, автоматический запрос повторной передачи (automatic repeat request - ARQ), просто распознает появление ошибки и запрашивает отправителя повторно передать сообщение; другая технология, известная как прямая коррекция ошибок (forward error correction - FEC), позволяет автоматически исправлять ошибки (с определенными ограничениями). При рассмотрении структурированных последовательностей мы обсудим три распространенных метода - блочное, сверточное и турбокодирование. Вначале в главе 6 описывается линейное блочное кодирование. В главе 7 мы рассмотрим сверточное кодирование, декодирование Витерби (и другие алгоритмы декодирования) и сравним аппаратные и программные процедуры кодирования. В главе 8 представлено каскадное кодирование, которое привело к созданию класса кодов, известных как турбокоды, а также подробно рассмотрены коды Рида-Соломона.

В главе 9 обобщаются вопросы проектирования систем связи и представляются различные компромиссы из областей модуляции и кодировки, которые обязательно должны быть рассмотрены при проектировании системы. Обсуждаются теоретические ограничения, такие как критерий Найквиста и предел Шеннона. Также исследуются схемы модуляции, позволяющие эффективно использовать полосу, такие как решетчатое кодирование.

Глава 10 посвящена синхронизации. В цифровой связи синхронизация включает вычисление как времени, так и частоты. Как показано на рис. 1.3, синхронизация выполняется на пяти уровнях. Эталонные частоты когерентных систем требуется синхронизировать с несущей (и возможно, поднесущей) по частоте и фазе. Для некогерентных систем синхронизация фазы не обязательна. Основной процесс синхронизации по времени - это символьная синхронизация (или битовая синхронизация для бинарных символов). Демодулятор и детектор должны знать, когда начинать и заканчивать процесс обнаружения символа и бита; ошибка синхронизации приводит к снижению эффективности обнаружения. Следующий уровень синхронизации по времени, кадровая синхронизация, позволяет перестраивать сообщения. И последний уровень, сетевая синхронизация, позволяет скоординировать действия с другими пользователями с целью эффективного использования ресурсов. В главе 10 мы рассмотрим синхронизацию пространственно разделенных периодических процессов.

В главе 11 описаны уплотнение и множественный доступ. Значения этих двух терминов очень похожи; оба связаны с идеей совместного использования ресурсов. Основным отличием является то, что уплотнение реализуется локально (например, на печатной плате, в компоновочном узле или даже на аппаратном уровне), а множественный доступ - удаленно (например, нескольким пользователям требуется совместно использовать спутниковый транспондер). При уплотнении применяется алгоритм, известный априорно; обычно он внедрен непосредственно в систему. Множественный доступ, наоборот, обычно адаптивен и может требовать для работы некоторых служебных издержек. В главе 11 мы рассмотрим классические способы совместного использования ресурсов связи: частотное, временное и кодовое разделение. Кроме того, будут описаны некоторые технологии множественного доступа, возникшие в результате использования спутниковой связи.

В главе 12 вводится преобразование, изначально разработанное для военной связи и известное как расширение (spreading). Здесь рассмотрены методы расширения спектра, важные для получения защиты от интерференции и обеспечения секретности. Сигналы могут расширяться по частоте, времени или по частоте и времени. В основном в главе обсуждается расширение частоты. Также глава иллюстрирует применение методом расширения частоты для совместного использования ресурсов с ограниченной полосой в коммерческой переносной телефонии.

В главе 13 рассматривается кодирование источника, которое включает эффективное описание исходной информации. Оно связано с процессом компактного описания сигнала согласно заданным критериям точности. Кодирование источника может применяться и к цифровым, и аналоговым сигналам; путем уменьшения избыточности информации коды источника могут снизить системную скорость передачи данных. Следовательно, основным преимуществом кодирования источника является возможность уменьшения объема требуемых ресурсов системы (например, ширины полосы).

Глава 14 посвящена шифрованию и дешифрованию, основными задачами которых является аутентификация и обеспечение конфиденциальности связи. Поддержание конфиденциальности означает предотвращение извлечения информации из канала несанкционированными лицами («подслушивание»). Аутентификация подразумевает предотвращение ввода в канал ложных сигналов несанкционированными лицами. В этой главе значительное внимание уделяется стандарту шифрования данных (data encryption standard- DES) и основным идеям, относящимся к классу систем шифрования, называемых системы с открытым ключом. Кроме того, здесь рассмотрена новая схема, названная Pretty Good Privacy («достаточно хорошая секретность»), которая позволяет эффективно шифровать файлы, предназначенные для отправки по электронной почте.

В последней главе 15 рассмотрены каналы с замираниями. Здесь мы обсудим замирание, которое воздействует на мобильные системы, такие как переносные и персональные системы связи (personal communication system - PCS). В главе перечисляются основные механизмы замирания, типы ухудшения качества и методы борьбы с этим ухудшением. Подробно исследуются два метода: эквалайзер Витерби, реализованный в системе GSM (Global Systems for Mobile Communication - глобальная система мобильной связи), и приемник Рейка, используемый в системах CDMA (Code Division Multiple Access - множественный доступ с кодовым разделением каналов).



*****
Новосибирск © 2009-2017 Банк лекций siblec.ru
Лекции для преподавателей и студентов. Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.