Способ формирования сигналов квадратурной амплитудной модуляции. Способы формирования стереофоннических сигналов

При ОМ генерируется в канал связи одна боковая полоса.

ОБП – сложная амплитудно-частотная модуляция.

Если имеется чистый тон: U=U W cosWt

U=U o (1+m cosWt) cos wt=

При ОБП – нет несущего колебания (1-ое слагаемое) и одной боковой полосы.

Для демодуляции такого сигнала, необходимо восстановить несущую. Поэтому при модуляции оставляют немного несущею гармонику

Преимущества: - более эффективное использование мощности передатчика: при m=1 в боковой полосе содержится мощности всего сигнала; при суммарной мощности – в БП – 1/6 мощности.

В однополосном сигнале основная мощность расходуется на создание информационного сигнала;

ОБН модуляция занимает меньшую полосу частот, следовательно, на одном и том же участке можно разместить в 2 раза больше станций (каналов).

Недостатки: - для приема ОБП требуется восстановление несущей, т.е. дополнительная аппаратура в приемнике (гетеродин c f n и фильтр на f n);

Требуется повышенная стабильность частоты гетеродина приемника, и передатчика (10 -6 10 -8);

Формирование ОБП – более сложное, чем АМ. осуществляется на малых уровнях Р, а затем усиливается сформированных ОБП сигнал.

Используется двухполосная модуляция – модуляция без несущей, тоже выгодны энергетически, но полоса больше.

1. Фильтровой метод формирования ОБП.

Сначала подают несущее колебание, т.к. его отфильтровать тяжело, оно мощное и близко расположено к боковой полосе.

Сделать фильтр полосовой, который вырежет ону боковую полосу.

Чтобы убрать несущую из АМС необходимо перемножить 2 сигнала: и на выходе получить сигнал без несущей.

Используют 2 метода получения х:

1) основан на формировании двух модулированных колебаний: (противофазных)

- балансный модулятор.

Для более качественного подавления, используют????? модуляторы (есть мост) должна быть обеспечена идентичность каналов.

2) основан на соотношении у=(a+b) 2 .

Если сумму или разность возвести в квадрат, то получим:

есть постоянная составляющая и гармоника с 2W

нужно возвести в квадрат, используем диоды или ПТ с квадратными характеристиками.

На выходе х двух сигналов.

После подавления несущей, необходима фильтрация одной боковой полосы.

ПФ – кварцевые, LC, пьезоэлеханические.

ПФ должен иметь большую крутизну скатов ЧХ вне полосы.

2-ую БП нужно подавить на 60 дБ.

Кварцевые фильтры можно использовать до 10МГц, но чем меньше частота, тем проще требования к фильтру, поэтому чаще всего делают многоступенчатые преобразования сигнала: в качестве поднесущего колебания 100-150 кГц, в качестве фильтров – электромеханические, требуемая крутизна подавления. Затем этот ОБП сигнал переносится на более высокую частоту.

- на выходе БМ 2 расстояние между полосами 2w 1 – большое, и для подавлении боковой полосы можно использовать LC-фильтры.

Иногда делают тройное преобразование, когда большая частота передатчика.

Поскольку информация заключена в амплитуде сигнала, которая может меняться от 0 до U W max , то усилители должны иметь большой динамический диапазон и хорошую линейность.

В ламповых генераторах работают без сеточных токов, т.к. они имеют нелинейность, здесь недоиспользование АЭ по мощности на 20¸30%, работа в недонапяжённом режиме.

БТ, имеют нелинейные характеристики, их для усиления сигнала применять нежелательно, поэтому чаще используют ПТ.

А для увеличения ОБП разрабатываются приборы для увеличения крутизны, увеличения линейности характеристик.

В ОБП усилителях можно использовать только 2 угла отсечки:q=90 0 , q=180 0 .

2. Синтетический метод формирования ОБП.

Основан на синтезе ОБП сигнала на больших уровнях мощности.

Одновременно осуществляется АМ и ЧМ.

(не должно быть умножителей частоты).

Синтез сигнала осуществляется на требуемой рабочей частоте.

Недостаток: - АМС и ЧМС должны быть синфазными, расхождение приводит к изменению спектра

Так информация заложена в ЧМС, то умножители не применяют.

3. Фазокомпенцационный метод.

Несущее колебание и боковая полоса подавляются в результате подбора фазовых соотношений между АМ колебаниями. Используются несколько колебаний сдвинутых по фазе: 360 0 /n, n³3.

Трехфазная система: (сдвинуты на 120 0).

Достоинство метода: ОБП формируется на рабочей частоте.

Недостаток: - необходимы идентичные АМ (модуляторы).

Необходимо наличие фазовращателей, которые работают от 300 Гц до 3,5 кГц.

4. Фазоразностный метод формирования сигнала.

Устранение несущей колебания с помощью балансных модуляторов.

Изменение включения фазовращателя, можно получить вершину БП.

Точность подавления несущего колебания зависит от фазовых соотношений комбинированных колебаний.

Применяют: (1+3).

5.Фазофильтровой метод

Нижняя боковая полоса.

Каждый день люди сталкиваются с использованием электронных приборов. Без них невозможна современная жизнь. Ведь речь идет о телевизоре, радио, компьютере, телефоне, мультиварке и прочем. Раньше, еще несколько лет назад, никто не задумывался о том, какой сигнал используется в каждом работоспособном приборе. Сейчас же слова «аналоговый», «цифровой», «дискретный» уже давно на слуху. Некоторые виды сигналов из перечисленных являются качественными и надежными.

Цифровая передача стала использоваться намного позже, чем аналоговая. Это связано с тем, что такой сигнал намного проще обслуживать, да и техника на тот момент не была настолько усовершенствована.

С понятием «дискретность» сталкивается каждый человек постоянно. Если переводить это слово с латинского языка, то означать оно будет «прерывистость». Углубляясь далеко в науку, можно сказать, что дискретный сигнал представляет собой метод передачи информации, который подразумевает изменение во времени среды-переносчика. Последняя принимает любое значение из всех возможных. Сейчас дискретность уходит на второй план, после того, как было принято решение производить системы на чипе. Они являются целостными, а все компоненты тесно взаимодействуют друг с другом. В дискретности же все с точностью наоборот - каждая деталь завершена и связана с другими за счет специальных линий связи.

Сигнал

Сигнал представляет собой специальный код, который передается в пространство одной или несколькими системами. Эта формулировка является общей.

В сфере информации и связи сигналом назван специальный носитель каких-либо данных, который используется для передачи сообщений. Он может быть создан, но не принят, последнее условие не обязательно. Если же сигнал является сообщением, то его «ловля» считается необходимой.

Описываемый код задается математической функцией. Она характеризует все возможные изменения параметров. В радиотехнической теории эта модель считается базовой. В ней же аналогом сигнала был назван шум. Он представляет собой функцию времени, которая свободно взаимодействует с переданным кодом и искажает его.

В статье охарактеризованы виды сигналов: дискретный, аналоговый и цифровой. Также коротко дана основная теория по описываемой теме.

Виды сигналов

Существует несколько имеющихся сигналов. Рассмотрим, какие бывают виды.

1. По физической среде носителя данных разделяют электрический сигнал, оптический, акустический и электромагнитный. Имеется еще несколько видов, однако они малоизвестны.
2. По способу задания сигналы делятся на регулярные и нерегулярные. Первые представляют собой детерминированные методы передачи данных, которые задаются аналитической функцией. Случайные же формулируются за счет теории вероятности, а также они принимают любые значения в различные промежутки времени.
3. В зависимости от функций, которые описывают все параметры сигнала, методы передачи данных могут быть аналоговыми, дискретными, цифровыми (способ, который является квантованным по уровню). Они используются для обеспечения работы многих электрических приборов.

Теперь читателю известны все виды передачи сигналов. Разобраться в них не составит труда любому человеку, главное - немного подумать и вспомнить школьный курс физики.

Для чего обрабатывается сигнал?

Сигнал обрабатывается с целью передачи и получения информации, которая в нем зашифрована. Как только она будет извлечена, ее можно использовать различными способами. В отдельных ситуациях ее переформатируют.

Существует и другая причина обработки всех сигналов. Она заключается в небольшом сжатии частот (чтобы не повредить информацию). После этого ее форматируют и передают на медленных скоростях.

В аналоговом и цифровом сигналах используются особенные методы. В частности, фильтрация, свертка, корреляция. Они необходимы для восстановления сигнала, если он поврежден или имеет шум.

Создание и формирование

Зачастую для формирования сигналов необходим аналого-цифровой (АЦП) и Чаще всего они оба используются лишь в ситуации с применением DSP-технологий. В остальных случаях подойдет только использование ЦАП.

При создании физических аналоговых кодов с дальнейшим применением цифровых методов полагаются на полученную информацию, которая передается со специальных приборов.

Динамический диапазон

Вычисляется разностью большего и меньшего уровня громкости, которые выражены в децибелах. Он полностью зависит от произведения и особенностей исполнения. Речь идет как о музыкальных треках, так и об обычных диалогах между людьми. Если брать, например, диктора, который читает новости, то его динамический диапазон колеблется в районе 25-30 дБ. А во время чтения какого-либо произведения он может вырастать до 50 дБ.

Аналоговый сигнал

Аналоговый сигнал является непрерывным во времени способом передачи данных. Недостатком его можно назвать присутствие шума, который иногда приводит к полной потере информации. Очень часто возникают такие ситуации, что невозможно определить, где в коде важные данные, а где обычные искажения.

Именно из-за этого цифровая обработка сигналов приобрела большую популярность и постепенно вытесняет аналоговую.

Цифровой сигнал

Цифровой сигнал является особым он описывается за счет дискретных функций. Его амплитуда может принять определенное значение из уже заданных. Если аналоговый сигнал способен поступать с огромным количеством шумов, то цифровой отфильтровывает большую часть полученных помех.

Помимо этого, такой вид передачи данных переносит информацию без лишней смысловой нагрузки. Через один физический канал может быть отправлено сразу несколько кодов.

Виды цифрового сигнала не существуют, так как он выделяется как отдельный и самостоятельный метод передачи данных. Он представляет собой двоичный поток. В наше время такой сигнал считается самым популярным. Это связано с простотой использования.

Применение цифрового сигнала

Чем же отличается цифровой электрический сигнал от других? Тем, что он способен совершать в ретрансляторе полную регенерацию. Когда в оборудование связи поступает сигнал, имеющий малейшие помехи, он сразу же меняет свою форму на цифровую. Это позволяет, например, телевышке снова сформировать сигнал, но уже без шумового эффекта.

В том случае, если код поступает уже с большими искажениями, то, к сожалению, восстановлению он не подлежит. Если брать в сравнении аналоговую связь, то в аналогичной ситуации ретранслятор может извлечь часть данных, затрачивая много энергии.

Обсуждая сотовую связь разных форматов, при сильном искажении на цифровой линии разговаривать практически невозможно, так как не слышны слова или целые фразы. Аналоговая связь в таком случае более действенна, ведь можно продолжать вести диалог.

Именно из-за подобных неполадок цифровой сигнал ретрансляторы формируют очень часто для того, чтобы сократить разрыв линии связи.

Дискретный сигнал

Сейчас каждый человек пользуется мобильным телефоном или какой-то «звонилкой» на своем компьютере. Одна из задач приборов или программного обеспечения - это передача сигнала, в данном случае голосового потока. Для переноса непрерывной волны необходим канал, который имел бы пропускную способность высшего уровня. Именно поэтому было предпринято решение использовать дискретный сигнал. Он создает не саму волну, а ее цифровой вид. Почему же? Потому что передача идет от техники (например, телефона или компьютера). В чем плюсы такого вида переноса информации? С его помощью уменьшается общее количество передаваемых данных, а также легче организуется пакетная отправка.

Понятие «дискретизация» уже давно стабильно используется в работе вычислительной техники. Благодаря такому сигналу передается не непрерывная информация, которая полностью закодирована специальными символами и буквами, а данные, собранные в особенные блоки. Они являются отдельными и законченными частицами. Такой метод кодировки уже давно отодвинулся на второй план, однако не исчез полностью. С помощью него можно легко передавать небольшие куски информации.

Сравнение цифрового и аналогового сигналов

Покупая технику, вряд ли кто-то думает о том, какие виды сигналов использованы в том или другом приборе, а об их среде и природе уж тем более. Но иногда все же приходится разбираться с понятиями.

Уже давно стало ясно, что аналоговые технологии теряют спрос, ведь их использование нерационально. Взамен приходит цифровая связь. Нужно понимать, о чем идет речь и от чего отказывается человечество.

Если говорить коротко, то аналоговый сигнал - способ передачи информации, который подразумевает описание данных непрерывными функциями времени. По сути, говоря конкретно, амплитуда колебаний может быть равна любому значению, находящемуся в определенных границах.

Цифровая обработка сигналов описывается дискретными функциями времени. Иначе говоря, амплитуда колебаний этого метода равна строго заданным значениям.

Переходя от теории к практике, надо сказать о том, что аналоговому сигналу характерны помехи. С цифровым же таких проблем нет, потому что он успешно их «сглаживает». За счет новых технологий такой метод передачи данных способен своими силами без вмешательства ученого восстановить всю исходную информацию.

Говоря о телевидении, можно уже с уверенностью сказать: аналоговая передача давно изжила себя. Большинство потребителей переходят на цифровой сигнал. Минус последнего заключается в том, что если аналоговую передачу способен принимать любой прибор, то более современный способ - только специальная техника. Хоть и спрос на устаревший метод уже давно упал, все же такие виды сигналов до сих пор не способны полностью уйти из повседневной жизни.

Сигнал определяется как напряжение или ток, который может быть передан как сообщение или как информация. По своей природе все сигналы являются аналоговыми, будь то сигнал постоянного илипеременного тока, цифровой или импульсный. Тем не менее, принято делать различие между аналоговыми и цифровыми сигналами.

Цифровым сигналом называется сигнал, определённым образом обработанный и преобразованный в цифры. Обычно эти цифровые сигналы связаны с реальными аналоговыми сигналами, но иногда между ними и нет связи. В качестве примера можно привести передачу данных в локальных вычислительных сетях (LAN) или в других высокоскоростных сетях.

В случае цифровой обработки сигнала (ЦОС) аналоговый сигнал преобразуется в двоичную форму устройством, которое называется аналого-цифровым преобразователем (АЦП). На выходе АЦП получается двоичное представление аналогового сигнала, которое затем обрабатывается арифметическим цифровым сигнальным процессором (DSP). После обработки содержащаяся в сигнале информация может быть преобразована обратно в аналоговую форму с использованием цифро-аналогового преобразователя (ЦАП).

Другой ключевой концепцией в определении сигнала является тот факт, что сигнал всегда несет некоторую информацию. Это ведет нас к ключевой проблеме обработки физических аналоговых сигналов — проблеме извлечения информации.

Цели обработки сигналов.

Главная цель обработки сигналов заключается в необходимости получения содержащейся в них информации. Эта информация обычно присутствует в амплитуде сигнала (абсолютной или относительной), в частоте или в спектральном составе, в фазе или в относительных временных зависимостях нескольких сигналов.

Как только желаемая информация будет извлечена из сигнала, она может быть использована различными способами. В некоторых случаях желательно переформатировать информацию, содержащуюся в сигнале.

В частности, изменение формата сигнала происходит при передаче звукового сигнала в телефонной системе с многоканальным доступом и частотным разделением (FDMA). В этом случае используются аналоговые методы, чтобы разместить несколько голосовых каналов в частотном спектре для передачи через радиорелейную станцию СВЧ диапазона, коаксиальный или оптоволоконный кабель.

В случае цифровой связи аналоговая звуковая информация сначала преобразуется в цифровую с использованием АЦП. Цифровая информация, представляющая индивидуальные звуковые каналы, мультиплексируется во времени (многоканальный доступ с временным разделением, TDMA) и передается по последовательной цифровой линии связи (как в ИКМ-системе).

Еще одна причина обработки сигналов заключается в сжатии полосы частот сигнала (без существенной потери информации) с последующим форматированием и передачей информации на пониженных скоростях, что позволяет сузить требуемую полосу пропускания канала. В высокоскоростных модемах и системах адаптивной импульсно-кодовой модуляции (ADPCM) широко используются алгоритмы устранения избыточности данных (сжатия), так же как и в цифровых системах мобильной связи, системах записи звука MPEG, в телевидении высокой четкости (HDTV).

Промышленные системы сбора данных и системы управления используют информацию, полученную от датчиков, для выработки соответствующих сигналов обратной связи, которые, в свою очередь, непосредственно управляют процессом. Обратите внимание, что эти системы требуют наличия как АЦП и ЦАП, так и датчиков, устройств нормализации сигнала (signal conditioners) и DSP (или микроконтроллеров).

В некоторых случаях в сигнале, содержащем информацию, присутствует шум, и основной целью является восстановление сигнала. Такие методы, как фильтрация, автокорреляция, свертка и т.д., часто используются для выполнения этой задачи и в аналоговой, и в цифровой областях.

ЦЕЛИ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ

• Извлечение информации о сигнале (амплитуда, фаза, частота, спектральные составляющие,временные соотношения)
• Преобразование формата сигнала (телефония с разделением каналов FDMA, TDMA, CDMA)
• Сжатие данных (модемы, сотовые телефоны, телевидение HDTV, сжатие MPEG)
• Формирование сигналов обратной связи (управление промышленными процессами)
• Выделение сигнала из шума (фильтрация, автокорреляция, свертка)
• Выделение и сохранение сигнала в цифровом виде для последующей обработки (БПФ)

Формирование сигналов

В большинстве приведенных ситуаций (связанных с использованием DSP-технологий), необходимы как АЦП, так и ЦАП. Тем не менее, в ряде случаев требуется только ЦАП, когда аналоговые сигналы могут быть непосредственно сгенерированы на основе DSP и ЦАП. Хорошим примером являются дисплеи с разверткой видеоизображения, в которых сгенерированный в цифровой форме сигнал управляет видеоизображением или блоком RAMDAC (преобразователем массива пиксельных значений из цифровой в аналоговую форму).

Другой пример — это искусственно синтезируемые музыка и речь. В действительности, при генерации физических аналоговых сигналов с использованием только цифровых методов полагаются на информацию, предварительно полученную из источников подобных физических аналоговых сигналов. В системах отображения данные на дисплее должны донести соответствующую информацию оператору. При разработке звуковых систем задаются статистическими свойствами генерируемых звуков, которые были предварительно определены с помощью широкого использования методов ЦОС (источник звука, микрофон, предварительный усилитель, АЦП и т.д.).

Методы и технологии обработки сигналов

Сигналы могут быть обработаны с использованием аналоговых методов (аналоговой обработки сигналов, или ASP), цифровых методов (цифровой обработки сигналов, или DSP) или комбинации аналоговых и цифровых методов (комбинированной обработки сигналов, или MSP). В некоторых случаях выбор методов ясен, в других случаях нет ясности в выборе и принятие окончательного решения основывается на определенных соображениях.

Что касается DSP, то главное отличие его от традиционного компьютерного анализа данных заключается в высокой скорости и эффективности выполнения сложных функций цифровой обработки, таких как фильтрация, анализ с использованием и сжатие данных в реальном масштабе времени.

Термин "комбинированная обработка сигналов" подразумевает, что системой выполняется и аналоговая, и цифровая обработка. Такая система может быть реализована в виде печатной платы, гибридной интегральной схемы (ИС) или отдельного кристалла с интегрированными элементами. АЦП и ЦАП рассматриваются как устройства комбинированной обработки сигналов, так как в каждом из них реализованы и аналоговые, и цифровые функции.

Недавние успехи технологии создания микросхем с очень высокой степенью интеграции (VLSI) позволяют осуществлять комплексную (цифровую и аналоговую) обработку на одном кристалле. Сама природа ЦОС подразумевает, что эти функции могут быть выполнены в режиме реального масштаба времени.

Сравнение аналоговой и цифровой обработки сигналов

Сегодняшний инженер стоит перед выбором надлежащей комбинации аналоговых и цифровых методов для решения задачи обработки сигналов. Невозможно обработать физические аналоговые сигналы, используя только цифровые методы, так как все датчики (микрофоны, термопары, пьезоэлектрические кристаллы, головки накопителя на магнитных дисках и т.д.) являются аналоговыми устройствами.

Некоторые виды сигналов требуют наличия цепей нормализации для дальнейшей обработки сигналов как аналоговым так и цифровым методом. Цепи нормализации сигнала — это аналоговые процессоры, выполняющие такие функции как усиление, накопление (в измерительных и предварительных (буферных) усилителях), обнаружение сигнала на фоне шума (высокоточными усилителями синфазного сигнала, эквалайзерами и линейными приемниками), динамическое сжатие диапазона (логарифмическими усилителями, логарифмическими ЦАП и усилителями с программируемым коэффициентом усиления) и фильтрация (пассивная или активная).

Несколько методов реализации процесса обработки сигналов показано на рисунке 1. В верхней области рисунка изображен чисто аналоговый подход. В остальных областях изображена реализация DSP. Обратите внимание, что, как только выбрана DSP технология, следующим решением должно быть определение местоположения АЦП в тракте обработки сигнала.

ОБРАБОТКА АНАЛОГОВЫХ И ЦИФРОВЫХ СИГНАЛОВ

Рисунок 1. Способы обработки сигналов

Вообще, поскольку АЦП перемещен ближе к датчику, большая часть обработки аналогового сигнала теперь производится АЦП. Увеличение возможностей АЦП может выражаться в увеличении частоты дискретизации, расширении динамического диапазона, повышении разрешающей способности, отсечении входного шума, использовании входной фильтрации и программируемых усилителей (PGA), наличии источников опорного напряжения на кристалле и т.д. Все упомянутые дополнения повышают функциональный уровень и упрощают систему.

При наличии современных технологий производства ЦАП и АЦП с высокими частотами дискретизации и разрешающими способностями существенный прогресс достигнут в интеграции все большего числа цепей непосредственно в АЦП /ЦАП.

В сфере измерений, например, существуют 24-битные АЦП со встроенными программируемыми усилителями (PGA), которые позволяют оцифровывать полномасштабные мостовые сигналы 10 mV непосредственно, без последующей нормализации (например серия AD773x).

На голосовых и звуковых частотах распространены комплексные устройства кодирования-декодирования&nbp;— кодеки (Analog Front End, AFE), которые имеют встроенную в микросхему аналоговую схему, удовлетворяющую минимуму требований к внешним компонентам нормализации (AD1819B и AD73322).

Существуют также видео-кодеки (AFE) для таких задач, как обработка изображения с помощью ПЗС (CCD), и другие (например, серии AD9814, AD9816, и AD984X).

Пример реализации

В качестве примера использования DSP сравним аналоговый и цифровой фильтры низкой частоты (ФНЧ), каждый с частотой среза 1 кГц.

Цифровой фильтр реализован в виде типовой цифровой системы, показанной на рисунок 2. Обратите внимание, что в диаграмме принято несколько неявных допущений. Во -первых, чтобы точно обработать сигнал, принимается, что тракт АЦП /ЦАП обладает достаточными значениями частоты дискретизации, разрешающей способности и динамического диапазона. Во -вторых, для того, чтобы закончить все свои вычисления в пределах интервала дискретизации (1/f s), устройство ЦОС должно иметь достаточное быстродействие. В -третьих, на входе АЦП и выходе ЦАП сохраняется потребность в аналоговых фильтрах ограничения и восстановления спектра сигнала (anti-aliasing filter и anti-imaging filter), хотя требования к их производительности невелики. Приняв эти допущения, можно сравнить цифровой и аналоговый фильтры.

Рисунок 2. Структурная схема цифрового фильтра

Требуемая частота среза обоих фильтров — 1 кГц. Аналоговое преобразование реализуется первого рода шестого порядка (характеризуется наличием пульсаций коэффициента передачив полосе пропускания и отсутствием пульсаций вне полосы пропускания). Его характеристики представлены на рисунке 2. На практике этот фильтр может быть представлен тремя фильтрами второго порядка, каждый из которых построен на операционном усилителе и нескольких и конденсаторах. С помощью современных систем автоматизированного проектирования (САПР) фильтров создать фильтр шестого порядка достаточно просто, но чтобы удовлетворить техническим требованиям по неравномерности характеристики 0,5 дБ, требуется точный подбор компонентов.

Представленный же на рисунке 2 цифровой КИХ-фильтр со 129 коэффициентами имеет неравномерность характеристики всего 0,002 дБ в полосе пропускания, линейную фазовую характеристику и намного более крутой спад. На практике такие характеристики невозможно реализовать с использованием аналоговых методов. Другое очевидное преимущество схемы состоит в том, что цифровой фильтр не требует подбора компонентов и не подвержен дрейфу параметров, так как частота синхронизации фильтра стабилизирована кварцевым резонатором. Фильтр со 129 коэффициентами требует 129 операций умножения с накоплением (MAC) для вычисления выходного отсчёта. Эти вычисления должны быть закончены в пределах интервала дискретизации 1/fs, чтобы обеспечить работу в реальном масштабе времени. В этом примере частота дискретизации равна 10 кГц, поэтому для обработки достаточно 100 мкс, если не требуется производить существенных дополнительных вычислений. Семейство DSP ADSP-21xx может закончить весь процесс умножения с накоплением (и другие функции, необходимые для реализации фильтра) за один командный цикл. Поэтому фильтр со 129 коэффициентами требует быстродействия более 129/100 мкс = 1,3 миллиона операций с секунду (MIPS). Существующие DSP имеют намного большее быстродействие и, таким образом, не являются ограничивающим фактором для этих приложений. Быстродействие серии 16-разрядных ADSP-218x с фиксированной точкой достигает 75MIPS. В листинге 1 приведен ассемблерный код, реализующий фильтр на DSP процессорах семейства ADSP-21xx. Обратите внимание, что фактические строки исполняемого кода помечены стрелками; остальное — это комментарии.

Рисунок 3. аналогового и цифрового фильтров

Конечно, на практике имеется много других факторов, рассматриваемых при сравнительной оценке аналоговых и цифровых фильтров или аналоговых и цифровых методов обработки сигнала вообще. В современных системах обработки сигналов комбинируются аналоговые и цифровые методы реализации желаемой функции и используются преимущества лучших методов, как аналоговых, так и цифровых.

ПРОГРАММА НА АССЕМБЛЕРЕ:
FIR ФИЛЬТР ДЛЯ ADSP-21XX (ОДИНАРНАЯ ТОЧНОСТЬ)

MODULE fir_sub; { Подпрограмма КИХ фильтра Параметры вызова подпрограммы I0 --> Наиболее старые данные в линии задержки I4 --> Начало таблицы коэффициентов фильтра L0 = Длина фильтра (N) L4 = Длина фильтра (N) M1,M5 = 1 CNTR = Длина фильтра - 1 (N-1) Возвращаемые значения MR1 = Результат суммирования (округлённый и ограниченный) I0 --> Наиболее старые данные в линии задержки I4 --> Начало таблицы коэффициентов фильтра Изменяемые регистры MX0,MY0,MR Время работы (N - 1) + 6 cycles = N + 5 cycles Все коэффициенты записаны в формате 1.15 } .ENTRY fir; fir: MR=0, MX0=DM(I0,M1), MY0=PM(I4,M5) CNTR = N-1; DO convolution UNTIL CE; convolution: MR=MR+MX0*MY0(SS), MX0=DM(I0,M1), MY0=PM(I4,M5); MR=MR+MX0*MY0(RND); IF MV SAT MR; RTS; .ENDMOD; ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ

• Цифровая обработка сигналов;
  • Ширина спектра обрабатываемого сигнала ограничена частотой дискретизации АЦП/ЦАП
    • Помните о критерии Найквиста и теореме Котельникова
  • ограничен разрядностью АЦП /ЦАП
  • Производительность процессора DSP ограничивает объем обработки сигнала, так как:
    • Для работы в реальном масштабе времени все вычисления, производимые сигнальным процессором, должны быть закончены в течение интервала дискретизации, равного 1/f s
• Не забывайте об аналоговой обработке сигнала
  • высокочастотной /радиочастотной фильтрации, модуляции, демодуляции
  • аналоговых ограничивающих и восстанавливающих спектр фильтрах (обычно ФНЧ) для АЦП и ЦАП
  • там, где диктуют здравый смысл и стоимость реализации

Литература:

Вместе со статьей "Виды сигналов" читают:

Процесс формирования сигнала в радиоканале осуществляется в несколько этапов:

Аналого-цифровое преобразование;

Кодирование речи;

Канальное кодирование;

Модуляция.

В процессе аналого-цифрового преобразования аналоговый речевой сигнал, ограниченный полосой частот от 300 до 3400 Гц, за счет дискретизации (частота дискретизации равняется 8 кГц) превращается в амплитудно-импульсно-модулированный сигнал (АИМ). Дальше каждая из 8 дискрет АИМ-сигнала кодируется разрядным двоичным кодом, т.е. АИМ-сигнал превращается в ИКМ-сигнал. В результате на выходе аналого-цифрового преобразователя (АЦП) формируется поток, скорость которого равняется 64 кбит/с.

Из выхода АЦП оцифрованный речевой сигнал поступает на кодер речи. Кодирование речи в стандарте GSM осуществляется в рамках системы прерывчатой передачи языка (DTX), что обеспечивает включение в работу передатчика только на время разговора и отключает его в паузах и в конце разговора. Одним из основных заданий кодирования речи есть сжатие речевого сигнала с целью снижения скорости передачи. Применение при кодировании в стандарте GSM вокодерных методов на основе метода линейного предесказания (ЛП) разрешает снизить скорость передачи с 64 до 13 кбит/с. Кодированию подвергаются отрезки речевого сигнала по 20мс. За этот интервал времени такие параметры речевого сигнала, как период основного тона, характер возбуждения (громкий или звонкий согласный звук в сопоставлении с глухими звуками), коэффициент усиления остаются постоянными.

В стандарте GSM кодирование осуществляется за методом RPE-LTP (линейное предсказание с возбуждением регулярной последовательностью импульсов и долгосрочным предсказанием). Сущность метода заключается в том, что для предсказания текущей выборки используются данные с предыдущих выборок (дифференциальная ИКМ). Каждая выборка при кодировании представляется линейной комбинацией предыдущих выборок и описывается в виде коэффициентов этой линейной комбинации и закодированной разностью предсказываемой и действительной выборками. В результате такого кодирования в интервале 20мс формируется 260 бит, за счет чего скорость передачи снижается к кбит/с. Таким образом, кодер речи обеспечивает сжатие речевого сигнала почти в 5 раз (64/13=4,92).

В состав входящей информации кодера речевого сигнала, объемом 260 бит, входят:

Параметры фильтра кратковременного предсказания(36 бит);

Параметры фильтра долгосрочного предсказания (36 бит);

Параметры сигнала возбуждения (188 бит).

Канальное кодирование обеспечивает защиту от ошибок переданной информации. В стандарте GSM 260 бит информации в интервале 20мс-сегмента речи делится на 2 класса: класс 1 и класс 2. Класс 1 в свою очередь делится на два подкласса: подкласс 1а - 50 бит наиболее чувствительных, и подкласс 1b - 132 бита, умеренно чувствительных к ошибкам. К классу 2 относятся 78 бит, наименее чувствительных к ошибкам. Структурная схема канального кодирования приведена на рис.1.5.

Информация подкласса 1а кодируется циклическим кодом (53, 50). При выявлении ошибки вся выборка откидывается и заменяется предыдущей. Закодированные 53 бита подкласса 1а, 132 бита подкласса 1b и 4 дополнительных нулевых бита (всего 189 бит) подаются на сверточный кодер (2, 1, 5), скорость кодирования которого и длина кодового ограничения . Формирующие полиномы сверточного кодера , . После сверточного кодирования 378 бит вместе с 78 битами класса 2 составляют 456 бит, в результате чего скорость передачи становится равной кбит/с.

После сверточного кодирования 456 бит подвергаются блочно-диагональному перемеживанию, которое уменьшает влияние групповых ошибок (они превращаются у ошибки малой кратности, которые исправляются при декодировании).

Рисунок 1.5 - Структурная схема канального кодирования в стандарте GSM

После перемеживания начальная последовательность из 456 бит делится на восемь 57- битовых блоков, так как в каждом слоте размещается два 57- битовых блока (114 бит). Длина слота канала трафика с учетом добавления вспомогательной и служебной информации составляет 156,25 бит. Поскольку информация одного 20- милисекундного сегмента речи занимает по одному слоту в четырех последовательных кадрах, поэтому скорость потока цифровой информации представляет (4х156,25)/20х10 -3 = 625/20х10 -3 = 31,25 кбит/с.

Эта информация (а именно 4x156,25 = 625 бит) сжимается во времени в 8 раз, так что на протяжении одного кадра продолжительностью 4,615 мс в одном частотном канале передается информация восьми временных слотов, в результате чего скорость передачи цифровой последовательности возрастает к (8x31,25) = 250 кбит/с.

На каждые 12 кадров канала трафика, что переносят речевую информацию (в мультикадре канала трафика информационными речевыми кадрами являются 0-11 и 13-25, в 12-ом кадре передается канал управления SACCH, а 26-ый кадр - пустой, резервный) прибавляется по одном кадру с информацией управления канала SACCH, который имеет скорость 20,833 кбит/с. Таким образом, скорость информационной битовой последовательности (речевого сигнала) на выходе кодера канала представляет:250 + 20,833 = 270,833 кбит/с.

Выше была рассмотрена процедура работы кодера канала только по помехоустойчивому кодированию речевого сигнала. Информация же каналов управления подвергается блочному и сверточному кодированию в полном объеме.

Так, для кодирования информации каналов: медленного соединенного канала управления SACCH; быстрого соединенного канала управления FACCH; канала вызова РСН; канала разрешения доступа AGCH; выделенных закрепленных каналов управления SDCCH используются блочный кодер (n, k) (224, 184), сверточный кодер (n, k, K) (2, 1, 5), а также схема перемеживания, аналогичная схеме перемеживания речевого канала

В каналах синхронизации SCH и случайного доступа RACH используются другие схемы блочного кодирования, а также сверточные кодеры (2, 1, 5), которые отличаются от сверточных кодеров вышеуказанных каналов управления.

При передаче компьютерных данных используются более сложные схемы сверточного кодирования и перемеживания, что обеспечивают соответственно и более высокое качество передачи информации.

Исходные сигналы канального кодера поступают на модулятор, задачам которого являются перенесения цифрового сигнала на несущую частоту, т.е. модуляция радиосигнала цифровым видеосигналом.

В стандарте GSM используется гауссова модуляция с минимальным частотным сдвигом (GMSK). При MSK-манипуляции несущая частота дискретно, через интервалы времени, кратные продолжительности информационного бита (T C), принимает одно из двух значений (постоянных на протяжении биту) – или , где – несущая частота радиоканала, – частота (скорость передачи) информационной битовой последовательности. Разнос частот – минимально возможный, при котором обеспечивается ортогональность колебаний с частотами и на интервале продолжительностью, которая равняется одному биту (Тс). При этом, за время Тс между колебаниями частот и набегает разность фаз, которая равняется . Иначе говоря, формирование MSK радиосигнала осуществляется таким образом, который на интервале одного информационного бита фаза несущей изменяется на . Беспрерывное изменение фазы синусоидального сигнала дает в результате частотную модуляцию с дискретным изменением частоты.

Наименование «гауссова» манипуляция объясняется тем, что последовательность информационных бит на модулятор поступает через фильтр нижних частот (ФНЧ) с гауссовою амплитудно-частотной характеристикой. Применение гауссового фильтра разрешает уменьшить полосу частот излучаемого радиосигнала. Для GMSK модуляции произведение полосы фильтра (F) на продолжительность информационного бита () представляет величину.

Метод MSK логически рассматривать как метод квадратурной фазовой манипуляции (двукратной относительной фазовой манипуляции (QPSK)), в которой прямоугольные импульсы, которые модулируют продолжительностью заменены полуволновыми отрезками синусоид или косинусоид. На рис.1.6 приведена схема модулятора, временные диаграммы, которые иллюстрируют процесс формирования GMSK сигнала.

В телекоммуникационных сетях широкое применение нашли многоканальные системы с частотным и временным разделением каналов.

5.2.1. Принципы формирования групповых сигналов в многоканальных системах с частотным разделением каналов

Во всех многоканальных системакх с частотным разделением каналов (МКС с ЧРК) применяется АМ сигналов с выделением одной боковой полосы (АМ-ОБП). Методы построения МКС с ЧРК отличаются способом формирования группового сигнала и особенностями передачи его в линейном тракте. По первому признаку различают вариан­ты:

– с индивидуальным преобразованием сигналов;

– с групповым пре­образованием сигналов.

По способу усиления группового (линейного) сиг­нала в промежуточных пунктах (второй признак) выделяют варианты с усиле­нием каждого индивидуального сигнала или линейного сигнала в целом.

При индивидуальном преобразовании сигналов формирование группового (линейного) спектра частот производится путем отдельного независимого пре­образования каждого из N сигналов. На рис. 5.3 показана структурная схема, поясняющая этот метод. Каждый канал содержит канальный полосовой фильтр (КПФ i ), канальный модулятор (М i ) и демодулятор (ДМ i ), а на промежу­точных станциях (ПС) – индивидуальное усилительное устройство (Ус i ).

Достоинствами этого метода являются:

– простое решение проблемы выделения (ответвления) любого сигнала в любом промежуточном пункте;

– к индивидуальному усилительному устройству не предъявляются высо­кие требования к показателям качества: каждый усилитель сравнительно узкополосный и может работать с большими нелинейными искажениями, поскольку на выходе они подавляются полосовым фильтром;

– минимум преобразований сигнала на оконечных пунктах;

– высокая надежность связи, так как выход из строя одного из усилителей промежуточного пункта не отражается на работе остальных.

Рис. 5.3. Структурная схема МКС с ЧРК с индивидуальным

преобразованием сигналов

– громоздкость и большое потребление энергии оборудования промежу­точных станций из-за наличия канальных усилителей;

– наличие большого числа избирательных устройств (КПФ) и, как следствие этого, увеличение объёма и стоимости оборудо­вания;

– плохое использование пропускной способности линейного тракта, поскольку из-за недостаточной избирательности КПФ приходится увеличивать разнос частот между соседними канальными сигналами, что ухудшает «плотность упаковки» линейного сигнала; в итоге увеличивается верхняя частота линейного сигнала и уменьшается допустимая длина участка линии между соседними усилительными пунктами.

В основе метода с групповым преобразованием сигналов лежит принцип фор­мирования линейного сигнала на оконечном пункте передачи (ОП пд) системы с помощью нескольких ступеней преобразования. На каждой сту­пени объединяется несколько канальных сигналов, т.е. линейный сигнал пред­ставляет собой сумму нескольких промежуточных групповых сигналов. На око­нечном пункте приёма (ОП пр) осуществляются обратные операции.

Преимуществом этого метода является упрощение промежуточных пунктов и, как следствие, уменьшение их стоимости и габаритов.

К недостаткам группового метода усиления относятся:

– высокие требования к показателям качества линейного усилителя про­межуточной станции: он должен иметь точно определенную частотную харак­теристику усиления в полосе частот линейного спектра и очень малые нели­нейные искажения;

– трудность выделения канальных сигналов.

Вплотную разместить каналы в линейном спектре частот невозможно, так как с ростом несущей частоты ухудшаются избирательные свойства полосовых фильт­ров (полоса пропускания резонан­сного контура равна ∆f = f 0 /Q k ). Следовательно, с ростом частоты f необходимо увеличивать защитный интервал ∆f зи между соседними каналами. В современных МКС c ЧРК каждому каналу выделяется полоса частот 4 кГц, хотя полоса пропускания КТЧ равна 3,1 кГц. В данном случае = 0,9 кГц. Следовательно, в МКС с ЧРК эффективно используется примерно 80% полосы пропускания тракта передачи. Кроме того, групповой тракт должен обладать высокой линейностью.

Это одна из основных причин перехода к группо­вому методу преобразования. При этом преобразование индивидуального сиг­нала осуществляется несколькими ступенями. На каждой ступени происходит объединение нескольких преобразованных сигналов, сформированных на пре­дыдущих ступенях. Принцип этого метода поясняет рис. 5.4. На первой ступени производят индивидуальное преобразование в спектр группового вспомога­тельного сигнала, называемого первичным; на второй ступени получают вторич­ный сигнал путём объединения нескольких преобразованных первичных груп­повых сигналов и т.д. Последняя ступень называется ступенью системногопреобразования. На приёмной стороне осуществляются обратные операции.

На рис. 5.5, а , б данные преобразования представлены в спектральной области, рис. 5.5, а поясняет формирование группового сигнала первичной стандартной группы (ПСГ) с по­мощью индивидуальных несущих частот f н1 – f н12 , а рис. 5.4 – вторичной стандартной группы (ВСГ) с помощью группо­вых несущих f н1 – f н5.

Рис. 5.4. Принцип метода группового преобразования сигналов

Рис. 5.5. Формирование спектров групповых сигналов

первичной (а ) и вторичной стандартной группы (б )

Достоинства метода:

– высокая «плотность упаковки» спектра линейного сигнала и, соответ­ственно, уменьшение полосы пропускания линейного сигнала при одном и том же количестве каналов;

– упрощение промежуточных станций, увеличение рас­стояния между промежуточными пунктами и удешевление системы в целом;

– уменьшение числа различных типов преобразований и фильтров, приводящее к удешевлению аппаратура, повышению её серийности и унифика­ции;

– уменьшение количества разных несущих частот, используемых при групповом преобразовании, и упрощение генераторного оборудования;

– упрощается проблема выделения групп каналов и сопряжения разных типов аппаратуры МКС.

Недостатки метода:

– большое число преобразований над каждым сигналом, в результате увели­чиваются искажения сигнала и соответственно ужесточаются требования к аппа­ратуре;

– возможное увеличение габаритов и стоимости оконечных пунктов.

Основные параметры стандартных групп каналов МКС с ЧРК приведены в таблице 5.1.

Таблица 5.1

Основные параметры стандартных групп каналов

5.2.2. Принципы формирования многоканальных сигналов в МКС с временным разделением каналов

При временном разделении каналов (ВРК) групповой тракт с помощью синхронных коммутаторов передатчика и приёмника поочередно предоставляется для передачи сигналов каждого канала МКС. Структурная схема МКС с ВРК приведена на рис. 5.6, где введены следующие обозначения: ИС i , ПС i – i -ый источник и получатель сообщений, ИМ – импульсный модулятор, ГТИ – генератор тактовых импульсов, ЛС – линия связи, ИД i – импульсный детектор i -го канала. В качестве канальных сигналов в системах с ВРК используются неперекрывающиеся во времени последовательности модулированных импульсов. Совокупность канальных сигналов образует групповой сигнал.

ИМ

ЛС

ГТИ

ИС N

N

ИС 1

ИС 2

K

K пр

ИД N

ПС N

N

ИД 2

ПС 2

ИД 1

ПС 1

Рис. 5.6. Структурная схема МКС с ВРК

Цифровые системы передачи (ЦСП) с ВРК, используемые в телекоммуникационных сетях, строятся на основе определенной иерархии, которая должна удовлетворять следующим основным требованиям:

– передача по каналам и трактам ЦСП всех видов аналоговых, дискретных и цифровых сигналов;

– соответствующая кратность скоростей обработки и передачи сигналов на различных ступенях передачи;

– возможность достаточного простого объединения, разделения, выделения и транзита передаваемых цифровых потоков;

– параметры ЦСП должны выбираться с учётом характеристик существующих и перспективных направляющих систем;

– возможность взаимодействия ЦСП с аналоговыми системами передачи и различными системами коммутации;

– при передаче сигналов типовых сообщений пропускная способность ЦСП должна использоваться наилучшим образом.

Формирование иерархии ЦСП осуществляется на основе объединения цифровых потоков низкого порядка, называемых компонентными, в единый цифровой, называемый групповым. Формирование группового цифрового сигнала возможно следующими способами объединения цифровых потоков:

– посимвольное (рис. 5.7, а );

– поканальное (рис. 5.7, б ).

В обоих случаях объединяются 4 потока.

Рис. 5.7. Структура цикла цифровой системы передачи с посимвольным (а ) и поканальным (б ) объединением цифровых потоков

При посимвольном объединении импульсы цифровых сигналов объединяемых цифровых потоков укорачиваются и распределяются во времени так, чтобы в освободившихся интервалах могли размес­титься объединяемые импульсы других потоков. При поканальном объединении цифровых потоков сужаются и распределяются во времени интервалы, отводимые для кодовых групп. Синхросигнал необходим для правильного распределения цифровых потоков на приёмном конце.

Возможно объединение цифровых потоков по циклам, кото­рое аналогично поканальному объединению: обрабатывается (сжимается) во времени и передается полностью цикл одного цифро­вого потока, затем следующих.

Наиболее простым и широко приме­няемым способом является способ посимвольного объединения.

При ВРК возможны переходные помехи между каналами, которые в основном обусловлены двумя причинами:

– неидеальностью АЧХ и ФЧХ тракта передачи;

– неидеальностью синхронизации коммутаторов на передающей и приёмной стороне.

Для снижения уровня взаимных помех при ВРК также приходится вводить защитные временные интервалы, что приводит к уменьшению длительности импульса каждого канала и, как следствие, расширения спектра сигналов. В соответствие с теоремой Котельникова для КТЧ минимальная частота дискретизации должна быть f д = 2F в = 6,8 кГц. Однако в реальных МКС с ВРК f д = 8 кГц.

Реальные МКС с ВРК уступают МКС с ЧРК по эффективности использования частотного спектра. Однако системы с ВРК имеют ряд преимуществ:

– отсутствуют переходные помехи нелинейного происхождения;

– ниже пик-фактор;

– аппаратура ВРК значительно проще аппаратуры ЧРК.

Наиболее широкое применение ВРК находит в цифровых системах передачи с ИКМ.

5.3. Фазовое, нелинейное, комбинационное и другие методы разделения каналов

5.3.1. Фазовое разделение каналов

В качестве переносчиков в системах передачи с фазовым разделением каналов (ФРК) используются гармонические колебания (несущие) с одинаковыми частотами и с начальными фазами, отличающимися друг от друга на π/2:

Канальные сигналы в системе формируются путем ампли­тудной модуляции несущих колебаний. Спектр каждого канального сигнала содержит две боковые полосы относительно несущей частоты ω н. При ФРК спектры канальных сигналов перекрывают друг друга. Тем не менее, разде­ление сигналов на приёме воз­можно вследствие взаимной орто­гональности переносчиков и . Разделение канальных сигналов и выделение информа­ционных сигналов осуществляются одновременно при разделении ортогональных сигналов. При этом групповой сигнал перемножается с переносчиком данного канала и интегрируется с помощью ФНЧ. На приёме в качестве перемножителя в каждом канале используется демодулятор, на который подается несущее колебание, когерентное с соответствующим колебанием на передаче. Необходимость когерентного приёма усложняет аппаратуру фазового разделения, так как требования к генераторному оборудо­ванию ужесточаются.

5.3.2. Разделение сигналов, передаваемых на кратных несущих частотах

В системах передачи дискретной информации находят практи­ческое применение МКС, в которых ортого­нальные переносчики выражаются членами тригонометрического ряда: Ψ k = k cosω н t , . Струк­турная схема такой системы соответствует схеме разделения орто­гональных сигналов. В системе используется амплитудная модуляция.

Нули спектра одиночного импульса передаваемого двоичного сигнала кратны частоте f 0 = 1/τ и, где τ и – длительность импульса. Если уравнять частоты f 0 и f н = ω н /2π, то выбранная система переносчиков будет ортогональна на протяжении интервала длительностью τ и. Так как k- й канальный сигнал равен u k (t ) = c k (t )cos(k ω н t ), то его спектр содержит две боковые полосы отно­сительно несущей f k = k f н. При f н = f 0 = 1/ τ и несущие частоты (k +1), (k + 2)-го и т. д. каналов, а также несущие предшествующих (k – 1), (k – 2)-го и т. д. каналов совпадают с нулями спектра k -го канала. Хотя спектры всех канальных сиг­налов перекрываются, тем не менее, различия в форме переносчи­ков позволяют разделить эти сигналы на приёме методом разделе­ния ортогональных сигналов.

Метод передачи на кратных несущих можно сочетать с методом фазового разделения сигналов: на каждой несущей k ω н можно осу­ществлять передачу двух сигналов с переносчиками cosk ω н t и sink ω н t. В этом случае при той же ширине спектра группового сигнала можно в два раза увеличить число каналов.

Известны многоканальные системы передачи дискретной информации, в которых в качестве переносчиков используются другие системы ортогональных функций: полиномы Лежандра, полиномы Лагерра и др. Все эти системы характеризуются следующим:

1) формирование и разделение канальных сигналов осуществляются с помощью простых интегрирующих уст­ройств, а не сложными канальными полосовыми фильтрами;

2) системы обладают высокой помехоустойчивостью;

3) на переходы между каналами оказывают влияние линейные и нелинейные искажения в групповом тракте;

4) требования к генераторному оборудованию ужесточаются вследствие необходимости когерентного приёма.

5.3.3. Нелинейное разделение сигналов

При построении некоторых систем передачи двоичных сигналов применяются следующие методы нелинейного разделения сигналов:

– комбинационный;

– разделение сигналов по уровню;

– кодовое разделение сигналов.

Комбинационный метод разделения сигналов . При передаче N независимых дискретных сооб­щений по общему групповому тракту, если элемент i -го сообщения может принимать одно из m i возможных значений (i = 1, 2, ..., N ), общее число значений, которое может принимать элемент N -канального источника, объединяющего исходные N источников, будет равно . При одинаковых значениях m i = m имеем M = m N . Таким образом, используя основание кода M = m N , можно одновременно передавать информацию от N индивидуальных источников, работающих с ос­нованием кода т. В частности, при т = 2 (двоичные коды), числе каналов N = 2, групповое сообщение b г может принимать четыре возможных значе­ния, соответствующих различным комбинациям нулей и единиц в обоих кана­лах, при N = 3 число различных комбинаций будет равно М = 8 и т.д. Задача теперь сводится к передаче некоторых чисел b г, определяющих номер комби­нации. Эти числа могут передаваться посредством сигналов дискретной моду­ляции любого вида. Разделение сигналов, основанное на различии в комбина­циях сигналов разных каналов, называется комбинационным. Структурная схема МКС с комбинационным (кодовым) разделением представлена на рис. 5.8. Здесь первичные сообщения b 1 (t ), b 2 (t ), ..., b N (t ) от N источников поступают на вход кодера, выполняющего роль устройства объединения каналов (УОК). Полученное групповое сообщение b г (t ) преобразуется с помощью модулятора М в групповой сигнал u г (t ), поступающий в групповой тракт (линию связи). На приёмной стороне после демодуля­ции и декодирования в приёмнике (П) в устройстве разделения каналов (УРК) формируются канальные сообщения, соответствующие N первичным сообщениям.

Типич­ными примерами комбинационного уплотнения являются сис­темы двукратного частотного телеграфирования (ДЧТ) и двукратного фазового телеграфирования (ДФТ), в которых для передачи четырёх комбинаций сигналов двух источников (каналов) используют соответственно четыре разные частоты f k , k = 1, 2, 3, 4 и четыре частоты с различными начальными фазами (табл. 5.2).

Рис. 5.8. Структурная схема многоканальной системы

с комбинационным уплотнением

Таблица 5.2

Параметры сигналов двухканальной системы

Комбинационная система выгодна при небольшом числе каналов, так как увеличение числа каналов (кратности системы) резко уве­личивает необходимое количество передаваемых сигналов, что при­водит к усложнению системы. В настоящее время применяются двукратные системы с ЧМ и AM, трёхкратные системы с ФМ и многократные комбинированные системы типа АФМ (амплитудно-фазовая модуляция).

Разделение сигналов по уровню . В системе разделения сигналов по уровню сигналы одинаковой формы могут передаваться одновременно, а групповой сигнал яв­ляется суммой канальных сиг­налов. Разделение сигналов на приёме осуществляется с помо­щью нелинейных пороговых ус­тройств. В простейшем случае при разделении двух сигналов u 1 (t ) и u 2 (t ) с амплитудами A 1 и А 2 пороговое устройство выделяет сигнал с большей ам­плитудой путём ограничения сверху и снизу (рис. 5.9, а ). Схема приёмного устройства показана на рис. 5.9, б .

Рис. 5.9. Структурная схема приёмного устройства МКС

с нелинейным разделением сигналов (б ) и эпюры сигналов (а )

На выход порогового уст­ройства проходит сигнал, соот­ветствующий сигналу u 1 (t ), но с уменьшенной амплитудой, равной (A 1 – А 2). Этот сигнал усиливается до номинального значения амплитуды (A 1) и по­ступает на выход первого ка­нала. Сигнал u 2 (t ) на выходе второго канала выделяется пу­тем вычитания u 1 (t ) из сум­марного сигнала.

Кодовое разделение сигналов . Принципы кодового разделения каналов основаны на использовании широкополосных сигналов (ШПС), полоса которых значительно превышает полосу частот, необходимую для обычной передачи сообщений, например, в узкополосных системах с ЧРК. Основной характеристикой ШПС является база сигнала, определяемая как произведение В = ∆FT ширины его спектра ∆F на его длительность Т . В цифровых системах связи, передающих информацию в виде двоичных символов, длительность ШПС Т и скорость передачи сообщений v связаны соотношением Т = 1/v . Поэтому база сигнала В = ∆F/v характеризует расширение спектра ШПС (S шпс) относительно спектра сообщения.

Расширение спектра частот передаваемых цифровых сообщений может осуществляться двумя методами или их комбинацией:

– прямым расширением спектра частот;

– скачкообразным изменением частоты несущей.

При первом способе узкополосный сигнал умножается на псевдослучайную последовательность (ПСП) с периодом повторения Т , включающую N бит последовательности длительностью t 0 каждый. В этом случае база ШПС численно равна количеству элементов ПСП: В = Т/t 0 = N .

Скачкообразное изменение частоты несущей, как правило, осуществляется за счет быстрой перестройки выходной частоты синтезатора в соответствии с законом формирования псевдослучайной последовательности.

Приём ШПС осуществляется оптимальным приёмником, который для сигнала с полностью известными параметрами вычисляет корреляционный интеграл

где x (t ) – входной сигнал, представляющий собой сумму полезного сигнала u (t ) и помехи n (t ) (в данном случае белый шум).

Затем величина z сравнивается с порогом Z 0 . Значение корреляционного интеграла находится с помощью коррелятора или согласованного фильтра. Коррелятор осуществляет «сжатие» спектра широкополосного входного сигнала путем умножения его на эталонную копию u (t ) с последующей фильтрацией в полосе 1/Т , что и приводит к улучшению ОСШ на выходе коррелятора в В раз по отношению ко входу. При возникновении задержки между принимаемым и опорным сигналами амплитуда выходного сигнала коррелятора уменьшается и приближается к нулю, когда задержка становится равной длительности элемента ПСП t 0 . Это изменение амплитуды выходного сигнала коррелятора определяется видом автокореляционной функции (при совпадающих входной и опорной ПСП) и взаимнокорреляционной функции (при отличающихся входной и опорной ПСП). Выбирая определенный ансамбль сигналов с «хорошими» взаимными и автокорреляционными свойствами можно обеспечить в процессе корреляционной обработки (свёртки ШПС) разделение сигналов. На этом основан принцип кодового разделения каналов связи.

5.3.4. Статистические методы уплотнения

В статистических методах уплотнения используются статистические особенности канальных сигналов в системах ЧРК или ВРК. В многоканальных телефонных си­стемах этот метод позволяет организовать дополнительные связи по существующим уже каналам в паузах речевых сигналов. В про­цессе телефонного разговора каждое из направлений передачи занято в среднем в течение 25 % времени продолжительности разговора. Число каналов, занятых непрерывной передачей речи, так называемых активных каналов, в многоканальной телефонной системе всегда меньше общего числа каналов N и при большом числе каналов N > 4000 отно­шение n/N становится равным 0,25 – 0,35. Наличие временно свободных каналов дает возможность строить системы уплотнения, в которых число передач m превышает номинальное число кана­лов N. В таких системах канал предоставляется абоненту только па время непрерывной передачи речи, т. е. на время активного со­стояния канала. Во время пауз в речи канал отключается от данного абонента и подключается к другому говорящему абоненту. Когда первый абонент вновь начинает говорить, он подключается к любому свободному каналу в системе.

Другим видом систем статистического уплотнения являются системы, в которых паузы в передаче речи по телефонным каналам используются для передачи данных.

5.4. Системы передачи и распределения информации

С целью организации обмена информацией между многими источниками и получателями информации каналы и системы передачи объединяются в сети связи – системы передачи и распределения информации (СПРИ).