2026г_Слайды_Введение_и_1_раздел_СЦС_v2

1.

Системы цифровой связи
(курс лекций)
Состав лекций: Введение и четыре раздела
Лектор: Беленький Валерий Григорьевич
Лабораторные занятия:
Беленький Валерий Григорьевич
Модульно-рейтинговая система аттестации: всего 100 баллов, в том числе:
Лабораторные занятия: 20 баллов
Посещение лекций: 10 баллов
Коллоквиум: 10 баллов
РГЗ: 15 баллов
Экзамен: 45 баллов
Список литературы:
1. Прокис Дж. Цифровая связь – М.: Радио и связь, 2000г.
2. Б.Скляр Цифровая связь: теоретические основы и практическое применение – М.: Вильямс, 2003г.
3. В.А.Григорьев, О.И.Лагутенко, Ю.А.Распаев Сети и системы радиодоступа – М.: Экотрендз, 2005г.
4. В.Столлингс Беспроводные линии связи и сети – М.: Вильямс, 2003г.
5. И.Шахнович Современные технологии беспроводной связи – М.: Техносфера, 2006г.

2.

Введение
В.1 Общая структура системы цифровой связи
Если для связи между источником и получателем информации используется сигнал, состоящий из
дискретных значений, то такую связь называют цифровой связью.
Последовательность функциональных блоков осуществляющих преобразования сообщения между
источником и получателем информации вместе со средой передачи информации (линией связи)
формирует систему цифровой связи (СЦС).
Структура СЦС
Источни X (t)
к
сообщен
ия
Кодер
источни
ка
Получат
ель
сообщен
ия
Декодер
источни
ка
Кодек
Передающее
устройство
Кодер
Перемеканала
житель
Мультиплексор
От других источников
сообщения
К другим получателям
сообщения
Декодер
Демульт
Депере
канала
имеплексор
житель
Принимающее
устройство
Модулятор
Демодулятор
S(t)
Линия
связи
(среда
передач
U(t)и)
n(t)
Источн
ик
помех
и
Мод
ем
1

3.

Кодер источника – блок, осуществляющий
преобразование сообщения в виде голоса,
изображения, текста, непрерывного сигнала и
т.д.
в
последовательность
цифровых
символов, называемых кодом.
Сообщение от
источника
Голос
Текст
Видео
………
………
Кодирование
источника
Биты данных
0110010100..
Кодовая
последовательность
Число символов, из которых составляют кодовые последовательности называют основанием кода m
В СЦС используются только символы «0» и «1», называемые битами
основание кода в СЦС: m=2.
Количество символов в кодовой последовательности называют длиной кода L.
Количество сообщений Nc, которые можно сформировать с помощью двоичного кода: Nc = mL = 2L.
Пример
Необходимо закодировать буквы русского
алфавита (т.е. преобразовать Nалф= 33 букв в
последовательность двоичных чисел)
Nc = 26 = 64 ≥ Nалф= 33 т.е длина кода составляет L=6
Вывод: каждой букве можно поставить в соответствие
шестизначное двоичное число.
Задачей кодера источника является преобразование ансамбля сообщений таким образом, чтобы:
наилучшим образом восстановить первоначальное сообщение по кодовой комбинации,
для представления одного сообщения требовалось минимальное число символов.
2

4.

Текст: Осуществляется на основе кодовых таблиц:
► ASCII (American Standard Code for Information Interchange) – на 1 символ отводится 1 байт (8 бит); можно закодировать 256 символов.
W
► Unicode – на 1 символ отводится 2 байта (16 бит); можно закодировать уже 65 536 различных символов.
Графика: На изображение накладывается сетка, которая носит название растр, элемент сетки называется
пикселем. количество пикселей на единицу площади равному 1 дюйму называется разрешением
изображения.
Распространенные изображения: с высоким разрешением HD при растре W×H = 1280×720 пикс.;
с очень высоким разрешением Full HD при растре 1920×1080 пикс.;
с ультравысоким разрешением Ultra HD при растре 3840×2160 пикс.
Цвет каждого пиксела кодируется определенным числом бит nb:
H
если nb = 1, то кодировка называется монохромной (21 цвета – белый и черный);
если nb = 16, то кодировка называется High Color (216=65 536 различных цветов);
если nb = 24, то кодировка называется True Color (224=16 777 216 различных цветов и оттенков).
Аудио (звук, речь): Преобразование выполняется с помощью двух процессов: дискретизация и квантование.
Растр
Пиксель
Дискретизация непрерывного сигнала заключается в регулярном взятии отсчетов его мгновенных значений, называемых выборками. В результате непрерывная
функция S(t) преобразуется в последовательность ее отсчетов SD(kΔt), k = 0, 1, 2 …
Квантованием сигнала называется процесс разбиения диапазона амплитуды непрерывного сигнала на определенное количество уровней и замена значений
амплитуды его двоичным эквивалентом (битовым значением).
Видео: Преобразование основано на: особенности восприятия цвета человеком (глаз человека более чувствителен к яркости цвета, чем к
самому цвету объекта (цветовая избыточность) и на особенности воспроизведения видео (на скорости 25 кадров в секунду
соседние кадры, как правило, изменяются незначительно (временная избыточность).
Цветовая избыточность устраняется с помощью модели RGB: цвет пикселя создаётся путём смешивания трёх базовых цветов: красного
(R, Red ), зеленого (G, Green) и синего (B, Blue), взятых в разных пропорциях.
Устранение временной избыточности осуществляется следующим образом:
1
2
3
...
3

5.

Принцип канального кодирования
Закодированные
биты данных
Биты
данных
Кодер канала – блок, осуществляющий кодирование
Канальное
битов данных, добавляя избыточность для того
кодирование
чтобы указать на наличие (либо исправить) ошибки в
0110010100
0110
последовательности данных, возникающей при
передаче сигнала в радиоканале, тем самым
повышая
помехоустойчивость
передаваемого
Избыточные биты
сигнала.
Избыточные биты, добавляемые к битам данных, позволяют приемнику:
– либо принять решение, что присланные
передатчиком данные содержат ошибку и тогда
приемник отклоняет эти данные и делает запрос
на повторную передачу данных. В этом случае
избыточные
биты
принято
называть
контрольной суммой (FCS – frame check
sequence)
Пример
0110
0+1=1
1+1=0
0+0=0
01100
FCS
– либо исправить одиночную ошибку, тогда повторная передача не
требуется, что в свою очередь, увеличивает пропускную
способность канала. В этом случае избыточные биты принято
называть прямой коррекцией ошибки (FEC – forward error
correction).
Кодовое дерево
Коды Хемминга
00
00
…
11
00
Блочные коды
10
11
01 …
Сверточные коды
00
11
10
Циклические коды
00 …
11
Пример
1110
1+1=0
0+1=1
1+0=1
01
0
Сверточное кодирование.
11
1
10
01101
FCS
00
0110
00 11 01 01
11
01
01
FЕC
FEC всегда содержит большую избыточность чем FCS !
10
01
10
00
11
10
01
11
00
01
10
…
…
…
…
…
4

6.

Перемежитель – блок, осуществляющий процесс перестановки кодированной последовательности с
целью возможности исправления пакетных (групповых) ошибок при приеме.
Принцип перемеживания
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
ВХОД
ВЫХОД
1 5 9 13 2 6 10 14 3 7 11 15 4 8 12 16
5

7.

Мультиплексирование/множественный доступ
Мультиплексор/множественный доступ – устройство, осуществляющее комплектование и перенос потока данных,
передаваемых по нескольким логическим каналам (или данных от нескольких пользователей), на один физический канал
связи (или радиоканал).
► Если в качестве линии связи между передатчиком и приемником используют проводные линии, то устройство, осуществляющее
комплектование и перенос потока данных, носит название мультиплексор.
► Если в качестве линии связи между передатчиком и приемником используют беспроводная линия (радиоканал), то устройство,
Мультиплексор
осуществляющее комплектование и перенос потока данных, носит название множественный доступ.
Принцип мультиплексирование:
Проводной
канал связи
В СЦС, использующие проводные линии связи выделяют следующие основные типы мультиплексирования:
1. FDM – frequency division multiplexing
2. TDM – time division multiplexing
3. WDM – wavelength division multiplexing
λ1
λ2
.
.
λn
λ∑
6

8.

В СЦС, использующие радиоканал в качестве линии связи, применяются следующие основные технологии множественного доступа:
1. FDMA – frequency
division multiple access
2. TDMA – time division
multiple access
5. OFDMA – orthogonal FDMA
3. CDMA – code division
multiple access
4. SDMA – space division
multiple access
6. NOMA – Non-orthogonal multiplexing access
7

9.

Модуляция
Модулятор – устройство, осуществляющее процесс изменения одного или
нескольких параметров высокочастотного сигнала с несущей частотой 0 по
закону двоичного цифрового информационного сигнала. В CЦС, как правило,
используются следующие виды модуляции:
BPSK – binary phase shift keying;
QPSK – quadrature phase shift keying;
М-QAM – М-quadrature amplitude modulation.
Биты
данных
011001
Модулятор
(BPSK)
Высокочастотный
сигнал
t
Линия связи
Линией связи называют среду передачи сигнала, в качестве которой может выступать:
либо искусственно созданные среды (проводные (UTP) кабели, коаксиальные кабели, оптоволокно)
либо естественная физическая среда (околоземное воздушное пространство)
Виды сигналов в беспроводных СЦС
Преимущества
Радиосигналы
Световые сигналы
(ИК или лазерное
излучение
Недостатки
Относительно большая дальность связи (≤ 35÷50 км)
Невысокая пропускная способность (х Мбит/с);
Подверженность помехам от других внешних устройств
Высокая пропускная способность (х Гбит/с);
Высокая помехоустойчивость от других внешних
устройств
Функционирование только в условиях прямой видимости;
Сильная зависимость от погодных условий
8

10.

Классификация беспроводных СЦС в зависимости от радиуса действия (зоны покрытия)
Тип
Зона покрытия, м
Скорость передачи
данных, Бит/с
Стандарты
Область применения
WPAN/NC
10-1 ÷ 101
106 ÷ 109
Bluetooth/BLE,
IrDA, NFC, RFID
Замена кабелей для различных периферийных устройств (компьютерных, аудиовизуальных, мобильных и т.п.), а также
технологий M2M, IoT и т.п.
WLAN
101 ÷ 103
108 ÷ 1010
IEEE 802.11 (Wi-Fi),
IEEE 802.15.4 (Zig-Bee)
Мобильные расширения проводных сетей
WMAN
103 ÷ 104
104 ÷ 109
WWAN
104 ÷ 107
104 ÷ 108
IEEE 802.16 (Wi-Max), LoraWAN,
SigFoX
Сотовые сети 2,5; 3; 4; 5 G (UMTS,
cdma2000, LTE) и спутниковые
сети (StarLink, VSAT)
Фиксированная беспроводная связь между пользователями и Интернет
Мобильная беспроводная связь с доступом в сеть Интернет между пользователями на обширной территории.
Локальная
сеть
Глобальная
сеть
Персональная сеть
(ближняя связь)
< 10 м
Региональная
сеть
< 1 км
< 10 км
< 100 10000 км
WPAN/NC
Bluetooth/BLE,
IrDa, NFC, RFID
WLAN
WMAN
Wi-Fi,
ZigBee
WiMAX,
LoRaWAN
WWAN
UMTS, LTE,
StarLink, VSAT
9

11.

В.2 Основные параметры систем цифровой связи
Основные параметры и характеристики СЦС:
1. Бит – единица количества информации (элемент входного потока данных), который может принимать значения:
«0» и «1».
2. Ширина спектра сигнала, W, Гц. – интервал частот, на котором сосредоточено 95% (или 99%) мощности
модулирующего сигнала. Подразумевается, что ширина спектра сигнала и ширина полосы канала связи
совпадают.
3. Скорость передачи информации, R, бит/с – число бит, переданных в единицу времени.
4. Пропускная способность канала, С, бит/с – максимальная, теоретически допустимая для данной линии связи
скорость передачи данных R. Верхняя граница пропускной способности при заданном отношении сигнал/шум и
доступной полосе канала связи устанавливается теоремой Шеннона:
5. Скорость кодирования (или степень кода), Rcode – отношение числа бит исходной информации до канального
кодирования k к числу бит после канального кодирования n:
6. Модуляционный символ – это значение или комбинация значений параметров высокочастотного сигнала (фаза,
амплитуда или частота) соответствующая нескольким информационным битам, группируемых при
осуществлении модуляции для их одновременной передачи в канале связи. Если число бит в модуляционном
символе обозначить буквой m, то число возможных значений модуляционного символа: M = 2m.
10

12.

7. Скорость модуляции (манипуляции), Rsym, симв/с или бод. – число модуляционных символов, переданных в
единицу времени, поэтому другое название скорости модуляции – символьная скорость. Скорость модуляции
Rsym не следует путать со скоростью передачи информации R, определяющей количество бит передаваемое в
единицу времени и измеряемое в бит/с. В общем случае символьная скорость и скорость передачи информации
связаны соотношением:
8. Вероятность ошибки, Pb или BER (Bit Error Rate) – количество (доля) ошибочно принятых бит nош от общего
количества переданных битов nпер за исследуемый интервал времени:
9. Отношение сигнал/шум может измеряться в двух видах:
отношение сигнал/шум по мощности, SNR, дБ. Показывает отношение мощности сигнала к мощности шума.
Математически определяется следующим образом:
где: Ps – мощность сигнала; Pn – мощность шума; N0 – спектральная плотность мощности белого шума;
W – ширина спектра сигнала.
отношение сигнал/шум на бит, Eb/N0, дБ, определяемое как отношение энергии сигнала Eb приходящейся на
один бит передаваемых данных, к спектральной плотности мощности белого шума N0. Величины Eb/N0 и SNR
связаны соотношением:
11

13.

10. Спектральная эффективность, SW, (бит/с)/Гц – это параметр показывающая соотношение между битовой
скоростью передачи данных R и шириной спектра сигнала W:
Данный параметр определяет, насколько эффективно система использует полосу частот канала для передачи
информации.
11. Энергетическая эффективность, SP – это отношение R/(Ps /N0), (бит/с)/Вт, показывающее соотношение между
битовой скоростью передачи данных R и отношением мощности сигнала Ps к спектральной плотности мощности
белого шума N0.
Данный параметр определяет, насколько эффективно система использует мощность (энергию) сигнала в канале для
передачи информации.
12. Надежность канала связи – это способность канала выполнять свои функции в течении определенного
промежутка времени.
Надежность оценивается следующими показателями:
время наработки на отказ (Тotk) – интервал времени между двумя соседними отказами;
коэффициент безотказной работы – отношение времени безотказной работы канала связи к общему времени
работы: