Обобщённая структурная схема радиотехнической системы передачи информации

1. Обобщённая структурная схема радиотехнической системы передачи информации

1

2. Структура цифровой системы связи

2

3.

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

4. Кодирование источника Дискретизация и квантование

временное
представление
спектральное
представление
непрерывный сигнал
модель последовательности
дискретизирующих импульсов
модель дискретного сигнала
X s ( f ) X ( f ) X ( f )
1
X ( f nf s )
Ts n
4

5. Кодирование источника Дискретизация и квантование

Спектр дискретного сигнала:
а) fs > 2fm , б) fs < 2fm
fm – максимальная частота в спектре сигнала
1/(2fm) – условие восстановления сигнала
5

6. Кодирование источника Дискретизация и квантование

Процесс квантования
q
2V p
L
- интервал (шаг) квантования
6

7. Кодирование источника Дискретизация и квантование

e(t) = y(t) – x(t)
– ошибка (шум) квантования
q/2
q/2
2
1
q
N q e p e de e de
12
q
q / 2
q / 2
2
2
– средняя мощность шума
квантования для равномерно
распределённой вероятности
ошибок квантования
NSRдБ = 6,02b + C отношение мощности шума квантования к мощности входного
сигнала для равномерно квантующего устройства с L = 2b уровнями квантования 7

8. Кодирование источника Импульсно-кодовая модуляция (ИКМ)

8

9. Кодирование источника Неравномерное квантование

Устройство неравномерного квантования
Логарифмическое сжатие
9

10. Кодирование источника Неравномерное квантование

y y max
ln[1 ( x / x max )]
ln 1 μ
sgn x
-закон (Северная Америка),
SNR = 38.1 дБ ( = 255, 8-бит АЦП)
x
A
x
x
max
1
sgn x
y max
для 0
1 ln A
xmax A
y
x
1 ln A
x
max
x
1
y
sgn
x
для
1
max
1 ln A
A xmax
А-закон (Европа),
= 87.56 для 8-бит
АЦП
10

11. Кодирование источника Неравномерное квантование

11

12. Кодирование источника Дифференциальная ИКМ

Качественная передача речи с помощью ИКМ:
• частота дискретизации 8 кГц (при ширине полосы сигнала 3.4 кГц)
• 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
R ( )
s(t )s
*
(t )dt
T /2
1
*
R( ) lim
s
(
t
)
s
(t ) dt
T T
T / 2
12

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) = x(n) + d(n) – скорректированная и квантованная входная выборка
Сигнал ошибки предсказания имеет меньшую дисперсию для его передачи требуется
меньшее количество бит по сравнению с ИКМ (при том же уровне шума квантования)
13

14. Кодирование источника Дифференциальная ИКМ

Уравнение N-отводного предсказателя:
x n | n 1 a1 x n 1 a2 x n 2 aN x n N
x(n|m) оценка x в момент n при всех выборках, собранных за время m,
aj – коэффициенты предсказания
d n x n x n | n 1 x n a1 x n 1 a2 x n 2 aN x n N
ошибка предсказания
E d 2 n E x n x n | n 1 min
2
E d 2 n
x n | n 1
E 2 x n x n | n 1
a j
a j
E 2 x n a1 x n 1 a2 x n 2 aN x n N x n j 0
14

15. Кодирование источника Дифференциальная ИКМ

Rd 0
2 Rx j a1Rx j 1 a2 Rx j 2 aN Rx j N 0
a j
Rx 1 Rx 0
R 2 R 1
x
x
R
N
x
Rx N 1
Rx 1
Rx 0
Rx N 2
Rx N 1 a1
Rx N 2 a1
Rx 0 aN
opt
opt
rx (1, N ) R xxa opt нормальные уравнения, a вектор оптимальных
коэффициентов предсказания
Rd 0 E x n aT x n 1 x n xT n 1 a
Rx 0 rxT 1, N a aT rx 1, N aT R xxa
Rx 0 rxT 1, N a opt a opt rx 1, N a opt rx 1, N
T
Rx 0 a opt rx 1, N
T
T
15

16. Кодирование источника Дифференциальная ИКМ

Rd 0 Rx 0 1 a1opt C x 1 a2opt C x 2 aNopt C x N
мощность ошибки предсказания, где C x n Rx ( N ) / Rx (0) нормированная
автокорреляционная функция входного сигнала
Rx 0 / Rd 0 выигрыш от предсказания (может составлять до 6-8 дБ при
фиксированных коэффициентах aopt относительно ИКМ)
16

17. Кодирование источника Дельта-модуляция

N = 1: a C x 1
opt
При высокой частоте дискретизации a 1
opt
x n | n 1 x n 1
d n x n x n 1
17

18. Кодирование источника Дельта-модуляция

При
dx(t )
dt
Ts
шум перегрузки по
крутизне
Преимущество -модуляции –
простота реализации
При равных скоростях
передачи данных
отношение сигнал/шум
выше при импульснокодовой модуляции
18

19.

Кодирование источника
Адаптивная дифференциальная ИКМ
10-отводный фильтр (N=10):
- интервал обновления 20 мс
- усиление предсказания 10-16 дБ
19

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
…
20

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
21

22. Модуляция и передача в основной полосе частот (baseband)

Минимальная ширина полосы системы, необходимая для передачи
информации со скоростью Rs символов в секунду без искажений, равна
Rs/2 Гц
h(t ) sinc(t / T )
sin(t / T )
t /T
АЧХ идеального фильтра Найквиста
sin(t / T )
h(t ) sinc(t / T )
t /T
идеальные импульсы Найквиста
h(t kT ) 0, k 1, 2,...
22

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.
23

24. Модуляция и передача в основной полосе частот (baseband)

фильтр Найквиста c АЧХ
типа приподнятого
косинуса
1
1 r
W (1 r ) Rs
2
2T
1,
f 2W0 W
f W 2W0
, 2W0 W f W
H ( j 2 f ) cos 2
4 W W0
0,
f W
ширина полосы системы с
фильтром Найквиста c АЧХ
типа приподнятого косинуса
для сигнала в основной
полосе частот
h(t ) 2W0 sinc(2W0t )
cos 2 (W W0 )t
2
1 4(W W0 )t
24
W – максимальная ширина полосы, W0 = 1/(2T) – минимальная ширина полосы для
прямоугольного спектра, r = (W W0)/W0 – коэффициент сглаживания (roll-off factor), 0 ≤ r ≤ 1

25. Полосовая модуляция/демодуляция

s (t ) A(t ) cos[ 0t (t )] модулированная несущая
Параметры несущего колебания:
• амплитуда
• частота
• фаза
/ << 1 – узкополосный сигнал
/ > 0.2 или 500 МГц –
сверхширокополосный сигнал
WDSB (1 r ) Rs
Виды модуляции:
• амплитудная
• частотная
• фазовая
• смешанная
Демодуляция:
• когерентная
• некогерентная
1 r ширина полосы системы в случае двухполосной
T
модуляции (амплитудной, фазовой или амплитуднофазовой) с фильтрацией по Найквисту
25

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) – амплитуднофазовая манипуляция
PSK-2
26

27. Полосовая модуляция/демодуляция Фазовая манипуляция (MPSK)

2E
2πi
si (t )
cos[ 0t
] , 0 t T , i 1, M
T
M
• M=2 – BPSK (binary phase shift keying) – двоичная фазовая
манипуляция (PSK-2)
• M=4 – QPSK (quadrature phase shift keying) – квадратурная
фазовая манипуляция (PSK-4)
s (t ) cos[ 0t (t ) / 4]
1
1
d I (t ) cos 0t
dQ (t ) sin 0t
2
2
сигнал QPSK
dI(t), dQ(t) – потоки импульсов чётных и
нечётных битов, (t) = 0, ± /2,
27

28. Полосовая модуляция/демодуляция Квадратурная фазовая манипуляция со сдвигом (OQPSK)

Q
P
S
K
O
Q
P
S
K
QPSK: (t) = 0, ± /2,
OQPSK: (t) = 0, ± /2
OQPSK эффективна в системах с
нелинейным усилением
28

29. Полосовая модуляция/демодуляция

Амплитудная манипуляция (M-ASK):
si (t )
2 Ei (t )
cos( 0t ) , 0 t T , i 1, M
T
Амплитудно-фазовая манипуляция (M-APK):
si (t )
2 Ei (t )
cos[ 0t i (t )] , 0 t T , i 1, M
T
сигнальные созвездия
(пространство сигналов)
QAM (quadrature amplitude modulation) – квадратурная амплитудная модуляция
29

30. Полосовая модуляция/демодуляция Частотная манипуляция (MFSK):

2E
si (t )
cos( it ) , 0 t T , i 1, M
T
T
s (t )s (t )dt 0 , i j
i
j
0
W M (1 r ) Rs
W M (1 r )
M (1 r )
T
Rs M (1 r )
2
2T
ширина полосы при некогерентной
демодуляции
ширина полосы при когерентной
демодуляции
30

31. Полосовая модуляция/демодуляция Структуры модуляторов

ASK, BPSK
MFSK
квадратурный
модулятор
(любой вид
модуляции)
31

32. Полосовая модуляция/демодуляция

Оптимальный корреляционный приёмник для канала с АБГШ
r (t ) si (t ) n(t ) , 0 t T , i 1, M
принятый сигнал,
si(t) – переданный сигнал, n(t) – АБГШ
{si(t)} { j(t)}
i = 1, …, M
j = 1, …, N
N≤M
{ j(t)} – базисные функции
N
si (t ) aij j (t ) ,
j 1
1 T
aij
si (t ) j (t )dt ,
K j 0
1, j k
0 j (t ) k (t )dt K j jk , jk 0, j k
T
j , k 1, , N
32

33. Полосовая модуляция/демодуляция

t = T:
z (T ) ai (T ) n0 (T ) , i 1, 2
гауссова случайная
переменная со средним ai(t)
Двоичный корреляционный приёмник
правило принятия решений при равенстве априорных
вероятностей передачи сигналов s1(t) и s2(t)
BPSK: s1(t) = s2(t), a1 = a2,
33

34. Полосовая модуляция/демодуляция

Корреляционный когерентный приёмник двоичных сигналов
34

35. Литература

1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
Б. Скляр. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение,
2-е издание.: Пер. с англ. - М.: Издательский дом “Вильямс”, 2003.
Дж. Прокис. Цифровая связь. – М.: “Радио и связь”, 2000.
Волков Л.Н., Немировский М.С., Шинаков Ю.С. Системы цифровой радиосвязи:
базовые методы и характеристики. -М.: Эко-Трендз, 2005.
Радиотехнические системы передачи информации. – М.: “Радио и связь”, 1990.
К. Феер. Беспроводная цифровая связь. – М.: “Радио и связь”, 2000.
В. Столлингс. Беспроводные линии связи и сети. : Пер. с англ. - М.:
Издательский дом “Вильямс”, 2003.
С.И.Дингес. Мобильная связь: технология DECT. -М.: СОЛОН-Пресс, 2003.
И.В.Шахнович. Современные технологии беспроводной связи. М.: Издательский
дом “Вильямс”, 2003.
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, 2005.
С.И.Баскаков. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник для вузов. -М.:
«Высшая школа», 1988.
И.С.Гоноровский. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник для вузов. -М.:
“Радио и связь”, 1986.
В.М.Вишневский, А.И.Ляхов, С.Л.Портной, И.В.Шахнович. Широкополосные
беспроводные сети передачи информации. -М.: Техносфера, 2005.
35