1 Обобщённая структурная схема радиотехнической системы передачи информации

2 Структура цифровой системы связи

3 дискретный сигнал сигнал с амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ) Кодирование источника Дискретизация и квантование Процесс дискретизации

4 Кодирование источника Дискретизация и квантование непрерывный сигнал модель последовательности дискретизирующих импульсов модель дискретного сигнала временное представление спектральное представление

5 Кодирование источника Дискретизация и квантование Спектр дискретного сигнала: а) f s > 2f m, б) f s < 2f m f m – максимальная частота в спектре сигнала 1/(2f m ) – условие восстановления сигнала

6 Кодирование источника Дискретизация и квантование - интервал (шаг) квантования Процесс квантования

7 Кодирование источника Дискретизация и квантование e(t) = y(t) – x(t) – ошибка (шум) квантования – средняя мощность шума квантования для равномерно распределённой вероятности ошибок квантования NSR дБ = 6,02b + C отношение мощности шума квантования к мощности входного сигнала для равномерно квантующего устройства с L = 2 b уровнями квантования

8 Кодирование источника Импульсно-кодовая модуляция (ИКМ)

9 Кодирование источника Неравномерное квантование Устройство неравномерного квантования Логарифмическое сжатие

10 Кодирование источника Неравномерное квантование -закон (Северная Америка), SNR = 38.1 дБ ( = 255, 8-бит АЦП) А-закон (Европа), = для 8-бит АЦП

11 Кодирование источника Неравномерное квантование

12 Кодирование источника Дифференциальная ИКМ Качественная передача речи с помощью ИКМ: частота дискретизации 8 к Гц (при ширине полосы сигнала 3.4 к Гц) 8-битовое устройство квантования скорость потока данных 64 кбит/с При этом корреляция соседних отсчётов > 0.85 (избыточность), а радиус корреляции – 4-6 отсчётов можно предсказывать последующие отсчёты по предыдущим и передавать разность между истинным и предсказанным значениями

13 Кодирование источника Дифференциальная ИКМ N-отводный дифференциальный импульсно-кодовый модулятор/демодулятор с предсказанием ^ x(n) – предсказанное значение выборки, d(n) – ошибка предсказания, ^ x(n) + d(n) – скорректированная и квантованная входная выборка ~ x(n) = ~ Сигнал ошибки предсказания имеет меньшую дисперсию для его передачи требуется меньшее количество бит по сравнению с ИКМ (при том же уровне шума квантования)

14 Кодирование источника Дифференциальная ИКМ Уравнение N-отводного предсказателя: x(n|m) оценка x в момент n при всех выборках, собранных за время m, a j – коэффициенты предсказания ошибка предсказания

15 Кодирование источника Дифференциальная ИКМ нормальные уравнения, вектор оптимальных коэффициентов предсказания

16 Кодирование источника Дифференциальная ИКМ мощность ошибки предсказания, где автокорреляционная функция входного сигнала нормированная выигрыш от предсказания (может составлять до 6-8 дБ при фиксированных коэффициентах a opt относительно ИКМ)

17 Кодирование источника Дельта-модуляция N = 1: При высокой частоте дискретизации

18 Кодирование источника Дельта-модуляция При шум перегрузки по крутизне Преимущество -модуляции – простота реализации При равных скоростях передачи данных отношение сигнал/шум выше при импульсно- кодовой модуляции

19 Кодирование источника Адаптивная дифференциальная ИКМ - интервал обновления 20 мс - усиление предсказания дБ 10-отводный фильтр (N=10):

20 Кодирование источника Другие алгоритмы Кодирование аналоговых источников (с потерей информации): адаптивные ДИКМ и -модуляция MPEG, JPEG вокодеры (CELP, RPE, …) … Кодирование цифровых источников (без потери информации): коды Хаффмана коды Лемпеля-Зива …

21 Модуляция и передача в основной полосе частот (baseband) ИКМ-сигнал в кодировке NRZ-L (БВН) (NRZ-L – nonreturn-to-zero level, БВН – без возвращения к нулю) наиболее часто используется в цифровых логических схемах импульсное представление ИКМ-сигнала манчестерское кодирование ИКМ-сигнала

22 Модуляция и передача в основной полосе частот (baseband) АЧХ идеального фильтра Найквистаидеальные импульсы Найквиста Минимальная ширина полосы системы, необходимая для передачи информации со скоростью R s символов в секунду без искажений, равна R s /2 Гц

23 Модуляция и передача в основной полосе частот (baseband) Теорема Найквиста о частичной симметрии: суммирование действительной косо-симметричной относительно частоты среза идеального фильтра нижних частот функции передачи с характеристикой передачи идеального фильтра нижних частот сохраняет моменты пересечения импульсной характеристики с нулевой осью.

24 Модуляция и передача в основной полосе частот (baseband) фильтр Найквиста c АЧХ типа приподнятого косинуса W – максимальная ширина полосы, W 0 = 1/(2T) – минимальная ширина полосы для прямоугольного спектра, r = (W W 0 )/W 0 – коэффициент сглаживания (roll-off factor), 0 r 1 ширина полосы системы с фильтром Найквиста c АЧХ типа приподнятого косинуса для сигнала в основной полосе частот

25 Полосовая модуляция/демодуляция модулированная несущая Параметры несущего колебания: амплитуда частота фаза Виды модуляции: амплитудная частотная фазовая смешанная / << 1 – узкополосный сигнал Демодуляция: когерентная некогерентная / > 0.2 или 500 МГц – сверхширокополосный сигнал ширина полосы системы в случае двухполосной модуляции (амплитудной, фазовой или амплитудно- фазовой) с фильтрацией по Найквисту

26 Полосовая модуляция/демодуляция PSK (Pase Shift Keying) – фазовая манипуляция FSK (Frequency Shift Keying) – частотная манипуляция ASK (Amplitude Shift Keying) – амплитудная манипуляция APK (Amplitude-Phase Shift Keying) – амплитудно- фазовая манипуляция PSK-2

27 Полосовая модуляция/демодуляция Фазовая манипуляция (MPSK) M=2 – BPSK (binary phase shift keying) – двоичная фазовая манипуляция (PSK-2) M=4 – QPSK (quadrature phase shift keying) – квадратурная фазовая манипуляция (PSK-4) сигнал QPSK d I (t), d Q (t) – потоки импульсов чётных и нечётных битов, (t) = 0, ± /2,

28 Полосовая модуляция/демодуляция Квадратурная фазовая манипуляция со сдвигом (OQPSK) QPSKQPSK OQPSKOQPSK QPSK: (t) = 0, ± /2, OQPSK: (t) = 0, ± /2 OQPSK эффективна в системах с нелинейным усилением

29 Полосовая модуляция/демодуляция Амплитудная манипуляция (M-ASK): Амплитудно-фазовая манипуляция (M-APK): QAM (quadrature amplitude modulation) – квадратурная амплитудная модуляция сигнальные созвездия (пространство сигналов)

30 Полосовая модуляция/демодуляция Частотная манипуляция (MFSK): ширина полосы при когерентной демодуляции ширина полосы при некогерентной демодуляции

31 Полосовая модуляция/демодуляция Структуры модуляторов ASK, BPSK MFSK квадратурный модулятор (любой вид модуляции)

32 Полосовая модуляция/демодуляция принятый сигнал, s i (t) – переданный сигнал, n(t) – АБГШ {s i (t)} { j (t)} i = 1, …, M j = 1, …, N N M { j (t)} – базисные функции Оптимальный корреляционный приёмник для канала с АБГШ

33 Полосовая модуляция/демодуляция Двоичный корреляционный приёмник t = T: гауссова случайная переменная со средним a i (t) правило принятия решений при равенстве априорных вероятностей передачи сигналов s 1 (t) и s 2 (t) BPSK: s 1 (t) = s 2 (t), a 1 = a 2,

34 Полосовая модуляция/демодуляция Корреляционный когерентный приёмник двоичных сигналов

35 Литература 1.Б. Скляр. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение, 2-е издание.: Пер. с англ. - М.: Издательский дом Вильямс, Дж. Прокис. Цифровая связь. – М.: Радио и связь, Волков Л.Н., Немировский М.С., Шинаков Ю.С. Системы цифровой радиосвязи: базовые методы и характеристики. -М.: Эко-Трендз, Радиотехнические системы передачи информации. – М.: Радио и связь, К. Феер. Беспроводная цифровая связь. – М.: Радио и связь, В. Столлингс. Беспроводные линии связи и сети. : Пер. с англ. - М.: Издательский дом Вильямс, С.И.Дингес. Мобильная связь: технология DECT. -М.: СОЛОН-Пресс, И.В.Шахнович. Современные технологии беспроводной связи. М.: Издательский дом Вильямс, Ивлев Д.Н., Панфилов С.В. Исследование процессов кодирования источника и полосовой модуля-ции/демодуляции в среде LabVIEW: Методические указания к лабораторной работе. - Н.Новгород, ННГУ, С.И.Баскаков. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник для вузов. -М.: «Высшая школа», И.С.Гоноровский. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник для вузов. -М.: Радио и связь, В.М.Вишневский, А.И.Ляхов, С.Л.Портной, И.В.Шахнович. Широкополосные беспроводные сети передачи информации. -М.: Техносфера, 2005.