Виды сигналов: аналоговый, цифровой, дискретный. Способы формирования группового сигнала

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 N-канальной системе число фильтров и их типов равно Nn, где n - число ступеней преобразования. Число фильтров и их типов можно уменьшить, если дополнить многократное преобразование групповым , при котором преобразованию подвергается групповой сигнал. С этой целью N каналов разбивается на m групп по K каналов, т.е. Km=N. В каждой группе сигнал каждого канала подвергается индивидуальному преобразованию с помощью несущих частот w Н1 , w Н2 ,..., w НК (Рис.3.51). Во всех группах преобразование однотипно, поэтому на выходе каждой группы образуется один и тот же спектр частот. Полученные групповые спектры подвергаются затем групповому преобразованию с несущими w ГР1 , w ГР2 ,..., w ГРm , так что после объединения преобразованных групповых сигналов образуется спектр частот N каналов. В рассматриваемом случае общее число фильтров равно N+mn ГР, а число типов фильтров сокращается до K+mn ГР, где n ГР - число групповых ступеней преобразования.

Рис.3.51 Групповое преобразование частоты

Таким образом, применение многократного и группового преобразования позволяет унифицировать фильтровое оборудование системы, т.е. уменьшить его разнотипность. Такая унификация повышает технологичность изготовления узлов аппаратуры и, в конечном счете, удешевляет ее.

Уплотнение - это процесс объединения множества несущих информацию сигналов в подлежащий передаче групповой сигнал, сосредоточенный в одной частотной полосе. Задача решается либо бортовыми, либо земными средствами. Может быть использовано почти любое сочетание:

Методов, применяемых при модуляции в земной аппаратуре;

Уплотнении в земной аппаратуре;

Модуляции несущей на спутниковой линии;

Многостанционном доступе.

Так, в системах INTELSAT, TELESAT, DSCS-1 и ²Молния² используется однополосная амплитудная модуляция при частотном уплотнении и разделении каналов (ЧУ), частотной модуляции на спутниковой линии и различные несущие частоты для каждой ЗС.

Систему ВМДВ можно назвать ИКМ/ВУ/ЧФМ/МДВУ.

Система SPADE с одним каналом на несущую обозначается: ИКМ/ЧФМ/МДЧУ.

В земной аппаратуре наиболее распространено частотное уплотнение и разделение каналов (ЧУ). Системы ЧУ включают в себя:

а) однополосные системы с подавленной несущей (ОБП);

б) однополосные системы с передаваемой несущей (ОБП-ПН);

в) двухполосные системы с подавленной несущей (ДБП);

г) двухполосные системы с передаваемой несущей (ДБП-ПН).

В основном применяется ОБП.

В системах временным разделением применяют:

Дискретные методы;

Цифровые методы.

Обычно ВУ сочетается с МДВУ, а ЧУ - с МДЧУ, но возможны и смешанные системы.

Передача ТВ сигналов и сигналов звукового сопровождения.

Согласно плану ВАКР-77 максимальная скорость передачи в ТВ канале не превышает 20 Мбит/с. Но для передачи высококачественного цветного изображения необходима скорость передачи не менее 34 Мбит/с. Поэтому для первого поколения спутниковых систем ТВ применялись аналого-цифровые методы, когда часть информации передавалась в аналоговой форме, а часть - в цифровой.

Одна из таких систем - система МАС (Multiplexing Analogue Components -составной сигнал с аналоговыми компонентами). В этой системе аналоговый сигнал яркости передается поочередно (методом временного разделения) с сигналами цветности, преобразованными в дискретную форму, что позволяет избежать перекрестных искажений сигналов яркости и цветности, снизить шумы в канале цветности благодаря переводу его в область низких частот. Сигналы звукового сопровождения, синхронизации, данных передаются совместно с сигналами цветности в общем цифровом потоке.

В самом простом варианте сигнал яркости передается в реальном масштабе времени в течение активной части строки, а цифровой поток - в интервале строчного гасящего импульса, причем сигнал цветности предварительно сжимается во времени. На приеме суммарный цифровой поток демультиплексируется. Поток, соответствующий сигналу цветности, растягивается и сдвигается во времени для восстановления первоначальных пропорций, а затем подается на декодирующее устройство.

В более сложной системе сжимаются во времени и сигнал яркости, и сигнал цветности, а разделение производится на периоде не только строки, но и кадра. Это позволяет изменять формат кадра. В результате исследований ЕСР выбран коэффициент сжатия 3/2 для сигнала яркости и 3 для сигналов цветности. На передающей стороне сигнал яркости задерживается на период кадра по отношению к сигналу цветности, на приеме же сигнал яркости проходит без изменений, а сигнал цветности растягивается во времени и задерживается на период кадра, так что восстанавливается их первоначальное соотношение.

Одной из наиболее сложных проблем спутникового телевидения (СТВ) является способ передачи звуковых сигналов в ТВ канале. Теоретические исследования и эксперименты показали, что методом аналоговой ЧМ в диапазоне 12 ГГц удается передать совместно с сигналом изображения не более двух звуковых программ с отношением сигнал/шум порядка 50-55 дБ, причем частота второй поднесущей должна быть подобрана так, чтобы не создавать помех в канале цветности. Например, для TV-SAT были выбраны значения поднесущих 5,5 МГц и 5,746128 0,000003 МГц. Необходимо же иметь как минимум 4-6 звуковых каналов в стволе.

Способ передачи цифрового потока совместно с сигналами изображения должен удовлетворять определенным требованиям: качество передачи изображения не должно ухудшаться; вероятность ошибки при передаче звуковых сигналов не должна превышать 10 -3 при отношении C/N=8 дБ; необходима совместимость с существующими ТВ приемниками.

Можно выделит три способа передачи сигналов изображения и цифрового потока:

С разделением по частоте (система МАС-А);

С разделением по времени на видеочастоте (МАС-В);

С разделением по времени на несущей частоте (МАС-С).

Система МАС-А. Цифровой поток передается на поднесущей частоте, превышающей верхнюю частоту спектра видеосигнала. Частота поднесущей выбирается из соотношения , где F B - верхняя частота видеосигнала, R - скорость потока в Мбит/с.

Среди методов цифровой модуляции предпочтение отдано двухпозиционной фазовой манипуляции с частично подавленной боковой полосой, называемой также “ упрощенной MSK” (Minimum Shift Keying), благодаря ее простоте и применимости когерентного демодулятора на приеме.

Система МАС-В. Уплотнение видеосигнала цифровым потоком на видеочастоте основано на использовании некоторой избыточности ТВ сигнала - наличии в каждой строке интервалов обратного хода лучей, в которых передаются только сигналы синхронизации. Вводя ИКМ последовательность в указанные интервалы, можно передать от двух до четырех звуковых программ, не увеличивая общую полосу частот, занимаемую видеосигналом. Преимуществом такого способа передачи является отсутствие отдельного демодулятора для звуковых сигналов, так как цифровая последовательность получается на выходе общего частотного детектора.

Известны следующие способы формирования группового сигнала:

Автовыбор (селективное сложение);

Линейное сложение;

Оптимальное (взвешенное) сложение;

Комбинированный способ.

Помехоустойчивость этих способов формирования группового сигнала чаще всего оценивается энергетическим критерием, т. е. увеличением отношения сигнал/помеха при разнесенном приеме по сравнению с отношением сигнал/помеха при одиночном при­еме. В случае передачи дискретных сигналов помехоустойчи­вость целесообразно оценивать и вероятностным критерием, позволяющим судить о вероятности ошибок при разнесенном и одиночном приемах.

Рассмотрим основные принципы реализации систем связи с разнесенным приемом при различных способах формирования группового сигнала и оценим их помехоустойчивость.

АВТОВЫБОР

Автовыбор состоит в том, что в любой мо­мент времени выбирается приемный тракт с наибольшим выход­ным сигналом. При этом для i -гo канала с наибольшим в дан­ный момент сигналом весовой коэффициент С j = 1,а для всех ос­тальных каналов С j i = 0. т. е. результирующий сигнал согласно выражениям (6.2), (6.3). (64) может быть записан в виде

где .

Вот почему автовыбор называют также селективным (избирательным) сложением.

Структурная схема приемного устройства с оптимальным автовыбором при сдвоенном приеме приведена на рис, 6.1. Коле­бания от обоих приемников поступают на устройство сравнения уровней. В результате сравнения уровней колебаний вырабаты­вается управляющий сигнал, который к выходному устройству подключает приемник с большим уровнем сигнала. Приемник с меньшим уровнем сигнала в это время отключается. Для уменьшения искажений сигналов время переключения приемников дол­жно быть малым. Система с автовыбором пригодна для приема телефонных и телеграфных сигналов в том случае, если время переключения приемников не превышает 15-20 мкс.

Место включения устройств при приеме AM сигналов существенного значения не име­ет. Они могут включаться либо до детекторов, либо после них.

При приеме ЧМ сигналов устройство сравнения должно распола­гаться до ограничителей, так как после ограничителей уровни сигналов одинаковы и теряется информация о том, сигнал како­го канала больше. В случае приема частотно-манипулированных сигналов управляющие устройства необходимо располагать после частотных детекторов. Если управляющие устройства располо­жить до частотных детекторов, то при быстром переключении каналов одна часть элементарного импульса будет проходить че­рез фильтр частотного детектора первого приемника, а другая часть - через фильтр частотного детектора второго приемника. В таком случае во избежание искажений сигнала фильтры час­тотных детекторов должны рассчитываться на пропускание им­пульсов более коротких, чем длительность элементарного импуль­са. Это привело бы к существенному снижению помехоустойчи­вости.

Для количественной оценки помехоустойчивости системы свя­зи с оптимальным автовыбором по энергетическому критерию необходимо определить и сравнить средние значения отношения сигнал/помеха при одиночном приеме и оптимальном автовыбо­ре. Среднее значение мощности полезного сигнала можно найти по формуле

, (6.6)

где Т - интервал усреднения, значительно больший периода из­менения передаваемого сигнала A(t).

В радиодиапазоне скорость изменения A(t) значительно выше скорости изменения коэффициента передачи канала a i (t). Выбирая T А <T А, T a - периоды изменения А(t) и a 1 (t) соответственно, и считая величину a i (t) на интер­вале Т постоянной, выражение (6.6) перепишем в виде

(6.7)

(6.8)

Среднеквадратичное значение передаваемого сигнала.

Среднеквадратичное значение аддитивных помех для всех ветвей разнесенного приема можно считать одинаковым, т. е.

(6.9)

Отношение сигнал/помеха в i -й ветви равно

, (6.10)

Величина h i 2 (t) изменяется во времени из-за изменения ко­эффициентаa i (t) , так как h 0 - величина постоянная. Усред­ненное на интервале T1 >> Т a значение отношения сигнал/помеха приодиночном приеме (в i -й ветви) определяется выражением

Для стационарных случайных процессов среднее по времени равно среднему по ансамблю, т. е.

, (6.13)

где W(а 2 i)- плотность вероятности квадрата коэффициента передачи канала.

Прежде всего найдем выражение для распределения коэф­фициента передачи канала, исходя из известного правила преоб­разования случайных величин:

. (6.14)

Учитывая, что огибающая амплитуды сигнала пропорциональ­на коэффициенту передачи канала, и выбирая для простоты пос­ледующих выкладок коэффициент пропорциональности, равный , получим

т.е. . (6.15)

При интервалах наблюдения до 10 мин плотность вероятности огибающей амплитуды сигнала W(U), как отмечалось, определя­ется релеевским законом (1.12). Подставляя (6.15) и (1.12) в (6.14), получим

. (6.16)

Теперь по правилу (6.14) находим плотность вероятности квадрата коэффициента передачи канала

, (6.17)
вычисляем интеграл (6.13)

, (6.18)

И получаем окончательное выражение для среднего значения от­ношения сигнал/помеха при одиночном приеме:

Вероятность того, что случайная величина h i 2 в i-м канале при одиночном приеме станет меньше некоторого значения h 2 , оп­ределяется интегральной функцией распределения вероятностей

. (6.20)

Из выражения (6.20) по правилу (6.14) находим

; (6.21)

. (6.22)

Если изменения a i ., а следовательно, и h i в различных ка­налах считать независимыми, то при n -кратном разнесении веро­ятность одновременного уменьшения отношения сигнал/помеха во всех каналах ниже порога h 2 будет определяться n -кратным про­изведением вероятностей, определяемых выражениями (6.21) и (6.22), т. е.

. (6.23)

Из (6.23) находим плотность вероятности отношения сигнал/ помеха при n-кратном разнесении:

. (6.24)

По аналогии с (6.13) среднее значение отношения сигнал/по­меха при n -кратном разнесении определяется интегралом

, (6.25)

В результате интегрирования по частям с использованием би­нома Ньютона и вычисления интеграла (6.25) получим

откуда следует, что отношение сигнал/помеха при оптимальном автовыборе определяется отношением сигнал/помеха при одиноч­ном приеме h 0 2 и кратностью разнесения п. Отношением

. (6.27)

оценивается выигрыш по мощности разнесенного приема с автовыбором по сравнению с одиночным приемом. Значения В n при различных кратностях разнесения приведены в таблице 6.1.

Для приближенной оценки вероятности ошибок при разнесен­ном приеме дискретных сигналов предположим, что можно ука­зать некоторую граничную величину h 2 гр которая характеризуется тем, что при h 2 > h 2 гр , прием происходит практически без иска­жений, а при h 2 < h 2 гр вероятность появления ошибок близка к единице. При сделанных допущениях интегральная функция рас­пределения (6. 23) при h 2 = h 2 гр определяет вероятность ошибки

. (6.28)

В случаях малых значений отношения представляющих наибольший практический интерес, вероятность ошибок равна

т. е. убывает по показательному закону с увеличением кратнос­ти разнесения п.

Вероятность ошибки при одиночном приеме дискретных сигналов с активной паузой в отсутствие замираний определяется выражением

. (6.30)

При наличии медленных замираний вероятность ошибки в системе связи с n-кратным разнесенным приемом тех же сигна­лов можно определить усреднением Р 0 по всем значениям h 2 в соответствии с плотностью распределения (6.24):

. (6.31)

Интегрируя (6.31) по частям, при n=2 получим

. (6.32)

Как показано в , при n-кратном разнесении

(6.33)

По этой формуле на рис. 6.2 построены зависимости показывающие, что наиболее ощутимый резуль­тат, по сравнению с одиночным приемом, дает сдвоенный прием.

Поэтому с учетом экономических соображений сдвоенный прием находит самое широкое применение.

Формула (6.27) получена в предположении, что корреляция между сигналами отдельных ветвей приема отсутствует. Умень­шение выигрыша становится существенным при коэффициенте корреляции r >0,6.

В случае сдвоенного приема при большом отношении сиг­нал/помеха влияние корреляции между сигналами приблизи­тельно эквивалентно уменьшению мощности сигнала в

раз. Значит, вероятность ошибки согласно (6.29) определяется выражением

, (6.34)

ЛИНЕЙНОЕ СЛОЖЕНИЕ СИГНАЛОВ

При линейном сложении коэффициенты усиления складыва­емых сигналов должны быть одинаковы, т. е. коэффициенты C d , входящие в выражение (6.4), равны единице. Равенство ко­эффициентов усиления приемников обычно обеспечивается общей схемой АРУ. В этом случае величина коэффициентов усиления определяется наибольшим из складываемых сигналов.

Схема приемного устройства сдвоенного приема с линейным сложением сигналов приведена на рис. 6.3. Когерентность сиг­налов, складываемых на промежуточной частоте, обеспечивает­ся системой фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Несинфазность складываемых сигналов ведет к ухудшению результирующего отношения сигнал/помеха, особенно при равенстве уровней складываемых сигналов. Зависимость уменьшения сигнал/по­меха суммарного сигнала от степени несинфазности < j для сдвоенного приема приведена на рис. 6.4, из которого видно, что при 38 0 потери в отношении сигнал/помеха составляют около 1 дБ, а при 50° - 2 дБ. Следовательно, фазирование сиг­налов с высокой точностью не обязательно. Чем больше отлича­ются уровни складываемых сигналов, тем меньше сказывается их несинфазность на отношении сигнал/помеха.

Место включения суммирующего устройства S, при линейном сложении зависит от вида модуляции принимаемого сигнала. При приеме AM сигналов сложение можно производить как до детек­торов, так и после них, так как отношение сигнал/помеха на входе и выходе амплитудного детектора одинаково. В случае при­ема ЧМ сигналов сложение целесообразно производить до детек­торов. Это обусловлено тем, чтона выходе частотного детекто­ра отношение сигнал/помеха ухудшается, если на входе детекто­ра оно ниже некоторого порогового значения. Следовательно, при сложении сигналов после частотных детекторов уменьшается и результирующее значение отношения сигнал/помеха. Кроме то­го, в случае линейного сложения до детектора уменьшаются ис­кажения сигнала, вызываемые многолучевостью распространения радиоволн.

Система АВ

Первой системой, получившей практическое применение в процессе развития стереофонии, стала система АВ.

Структурная схема звукопередачи по системе АВ показана на рис. 2. При этом имеются два микрофона: левый Мл и правый Мп, расставленные по фронту перед исполнителями, например перед оркестром. Звуковые волны, исходящие от одних и тех же инструментов, воздействуют на микрофоны с различными фазами и интенсивностью, в зависимости от того, на каком расстоянии от источника расположен данный микрофон, поэтому система АB называется фазово-интенсивностной.

При использовании системы АВ следует учитывать следующее. Во-первых, при слишком большом расстоянии между микрофонами у слушателя может возникнуть впечатление «разрыва» образа, скачка звука от одного громкоговогорителя к другому, «провала центра», отсутствия не прерывности звуковой картины по азимуту, невозможности различать в этой картине отдельные источники звука.

Рис2.Стереофоническая система АВ

Чем больше расстояние между микрофонами, тем меньшим оказывается угол восприятия стереофонической картины. Во-вторых, при чрезмерно близком расположении источников звуков к линии микрофонов может возникнуть такой же нежелательный эффект, причем еще в большей степени. В-третьих, чем меньше расстояние между микрофонами, тем более правильной получается звукопередача источников, расположенных под различными углами к оси симметрии микрофонов. Однако слишком сближать микрофоны тоже нельзя. Минимальное расстояние ограничивается необходимостью приема каждым из микрофонов различной информации. При помещении обоих микрофонов в одну точку пространства они в системе АВ воспринимают одинаковую информацию, и стереоэффект исчезает.

Система XY

В этой системе локализация источников звука обеспечивается только различием интенсивности звука, воспринимаемой обоими микрофонами, поэтому система называется интенсивностной. Фазовые сдвиги между сигналами микрофонов Мл и Мп отсутствуют.

Схема стереофонической звукопередачи по системе ХУ приведена на рис.3. Два микрофона направленного действия (в данном случае -- двусторонненаправленные) объединяются в единой конструкции так, чтобы их диафрагмы находились по возможности ближе друг к другу, напри- мер рядом или на одной вертикали друг над другом.

Рис.3

Оси максимальной чувствительности располагаются по двум ортогональным направлениям таким образом, что образуют равные углы с плоскостью симметрии, делящей звуковое поле пополам (чаще всего 45°).

С учетом характеристик направленности микрофонов источник звука И1 будет восприниматься только микрофоном Мл, источник звука ИЗ -- только микрофоном Мп, имеющими в этих направлениях максимальную чувствительность. Источник звука И2, находящийся в центре звукового поля, в одинаковой степени воспринимается микрофонами Мл и Мп и при воспроизведении будет слышен звучащим из центра. Источники звука, расположенные между источниками И1 и И2, будут создавать больший по уровню сигнал на микрофоне Мл и при прослушивании будут восприниматься слева от центра. Источники звука, расположенные между источниками И2 и ИЗ, будут слышны при воспроизведении справа.

Система MS

Эта система является фактически одной из разновидностей системы ХУ, например, когда один из микрофонов Мм имеет круговую характеристику направленности, а второй микрофон Ms -- косинусоидальную характеристику, как это показано на рис. 2.3,г.

В системе MS стереофонический сигнал делится на «сигнал звука» , или сигнал М (от немецкого слова Mittel --середина) и на «сигнал направления», или сигнал S (от немецкого слова Seite -- сторона). Сигнал М представляет собой обычную суммарную монофоническую информацию, т. е. сумму левого и правого сигналов. Сигнал S содержит информацию о звуковом поле слева и справа от микрофона, т. е. информацию о расположении источников звука вдоль фронта. Сигнал S представляет собой разность интенсивностей звуковых волн, воздействующих от одного и того же источника на диафрагму микрофона с двух сторон -- слева и справа.

Для получения информации левого X и правого У каналов системы стереопередачи необходимо произвести преобразования сигналов с помощью суммарно-разностных преобразователей СРП (рис. 4). Сигнал левого канала стереопары представляет собой сумму сигналов M и S, т. е. X=M+S, а сигнал правого канала -- разность сигналов М и S, т. е. У=М--S. В этом легко убедиться, изобразив характеристики направленности микрофонов М (круг) и S (косинусоида) в декартовой системе координат (рис. 5а). В декартовой системе зависимость чувствительности микрофона Е от угла падения M и S (а) круговой характеристики имеет вид прямой линии М, а для косинусоидальной характеристики -- отрезок косинусоиды S.

Рис.4

Рис. 5

Если в одном канале напряжения сигналов М и S сложить (M+S), а в другом канале из напряжения сигнала М вычесть напряжение сигнала S (т. е. М--S), то для каждого из каналов стереопередачи зависимость выходного напряжения от угла падения звуковой волны на микрофон представляется кривыми M+S =X и М--S = Y, как это показано на рис. 5б. Таким образом, видно, что системы ХУ и MS эквивалентны, и переход от одной из них к другой осуществляется с помощью простейшей операции суммарно-разностного преобразования сигналов.

Система MS требует наличия в составе звукорежиссерского пульта дополнительных узлов: суммарно-разностных преобразователей, стереорегуляторов направления и базы. Преимущество системы MS перед системой ХУ заключается в том, что при этой системе техника регулирования проще, она во многом идентична технике регулирования обычной монофонической передачи. В этой системе легко регулировать как общую ширину базы, так и ширину участков базы, занятых отдельными группами исполнителей, а также регулировать направления на источники.

Комбинированные системы

Рассмотренные выше системы АВ, ХУ и MS основаны на использовании двух обычных монофонических микрофонов либо применительно к системам ХУ и MS -- одного стереофонического микрофона, представляющего собой два монофонических микрофона, скомпонованных в одном корпусе. Однако по мере развития стереофонии, особенно с появлением многоканальной звукозаписи, системы стереофонической звукопередачи стали постепенно усложняться. Микрофоны стали устанавливать около каждой группы инструментов, каждой группы исполнителей, отдельно для солиста, отдельно для некоторых инструментов и т. д. Все эти сигналы сначала записываются, а затем «сводятся». Получается стереофонический оригинал, с которого потом снимают стереофонические и монофонические вещательные дубли. Системы стереофонической звукопередачи, с использованием большого числа микрофонов, получили название полимикрофонных систем. Некоторые из них:

Полимикрофонная система AB

Полимикрофонная система XY

Смешанная система AB и XY

Система MS c несколькими одиночными микрофонами

Система с двойным преобразованием сигналов

Выводы о стереосигналах

Для формирования стереосигнала требуется не менее двух микрофонов, расположенных как в разных точках (Система AB) первичного помещения (студии, зала), так и в одной точке, но расположенных под некоторым углом друг к другу (Система XY), либо с различной диаграммой направленности (Система MS).

Принцип системы MS, заключающийся в том, что передаются сумма и разность сигналов Л и П, применяется для формирования сигнала стереофонического радиовещания, что позволяет обеспечить прием стереопередач на монофонические устройства.

Для воспроизведения стереосигнала, полученного при помощи системы MS, необходим дополнительный блок суммарно-разностного преобразования, который будет преобразовывать сигналы M и S в сигналы Л и П, и при определенной доработке на нем можно выполнять регулировку ширины стереобазы.

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к радиопередающим устройствам, применяемым на линиях многоканальной цифровой связи с квадратурной амплитудной манипуляцией, может быть использовано в области цифрового радиовещания и цифрового телевидения. Достигаемый технический результат - снижение потерь помехоустойчивости в условиях плохой помеховой обстановки. В способе формирования сигналов квадратурной амплитудной модуляции формирование несущей частоты осуществляется путем модуляции и суммирования двух квадратурных сигналов: sin(wt) и cos(wt) по двум параллельно работающим каналам, в каждом из которых производится фазоамплитудная модуляция с помощью управляемых коммутаторов и делителей напряжения, при этом деление напряжения несущего колебания в каждом из двух квадратурных каналов формирователя сигналов квадратурной амплитудной модуляции синхронно осуществляется с переменным коэффициентом в зависимости от соотношения сигнал-шум на входе демодулятора приемника, полученного по обратному каналу. 4 ил., 2 табл.

Рисунки к патенту РФ 2365050

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к радиопередающим устройствам, применяемым на линиях многоканальной цифровой связи с квадратурной амплитудной манипуляцией, а также может быть использовано в области цифрового радиовещания и цифрового телевидения.

Известны способы формирования сигналов относительной и квадратурной фазовой манипуляций (ОФМ, КФМ), в которых для уменьшения спектра передаваемого фазоманипулированного сигнала используется плавный фазовый переход .

Также известны способы формирования сигналов квадратурной амплитудной модуляции (КАМ, QAM), в которых шестнадцатеричный сигнал КАМ (КАМ-16) на передачу формируется в двух квадратурных ветвях (синфазная или синусная и квадратурная или косинусная составляющие), в каждой из которых используется способ формирования сигналов КФМ .

Однако известные аналоги обладают относительно низкой помехоустойчивостью за счет строгого классического построения сигнальной конструкции и ввиду этого невозможностью разделения потока всех бит, переносимых сигналом КАМ на подпотоки по приоритетам , обладающие различной помехоустойчивостью, что очень важно при достаточно плохой помеховой обстановке (т.е. при низких значениях отношений сигнал-шум на входе демодулятора КАМ, что особенно актуально и прогрессивно в современных системах с турбокодированием ).

Наиболее близким техническим решением к данному изобретению является способ формирования сигналов КАМ, в котором формирование несущей получается путем модуляции и суммирования двух квадратурных сигналов: sin(wt) и cos(wt). Способ формирования содержит два параллельно работающих канала, в каждом из которых производится фазоамплитудная манипуляция, общий задающий генератор, фазовращатели и управляемые коммутаторы с делителями напряжения для получения четырехуровневого сигнала КАМ с шестнадцатью сигнальными точками (КАМ-16)

При такой совокупности элементов и связей достигается повышение частотно-энергетической эффективности использования дискретных каналов линий многоканальной электросвязи .

Недостаток известного способа формирования сигналов квадратурной амплитудной модуляции - потери помехоустойчивости переданной информации в условиях наиболее плохой помеховой обстановки как с введением, так и без введения приоритетности в передаче сообщений нескольких пользователей.

Целью изобретения является снижение потерь помехоустойчивости в условиях плохой помеховой обстановки за счет оптимального построения сигналов шестнадцатеричной квадратурной модуляции (КАМ-16) как с разбиением, так и без разбиения общего переносимого потока бит на подпотоки по приоритетности.

Указанная цель достигается тем, что деление напряжения несущего колебания в каждом из двух квадратурных каналов формирователя сигналов квадратурной амплитудной модуляции синхронно осуществляется с переменным коэффициентом в зависимости от соотношения сигнал-шум на входе демодулятора приемника, полученного по обратному каналу.

Перечисленная новая совокупность существенных признаков (отличительный признак) за счет введения изменяемого (заранее известного и точно посчитанного) в период наиболее плохой помеховой обстановки коэффициента деления напряжения квадратурных несущих позволяет обеспечить возможность снижения потерь помехоустойчивости информации нескольких пользователей при введении приоритетности сообщений в условиях достаточно низких значений соотношения сигнал-шум (сигнал-помеха) на входе демодулятора.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие изобретения условию патентоспособности «новизна».

Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного объекта, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Заявляемый способ поясняется чертежами, графиками и таблицами, на которых показаны:

на фиг.1 - блок-схема устройства формирования сигналов квадратурной амплитудной модуляции;

на фиг.2 - пространство сигналов классической КАМ-16:

а) фиксированные относительные значения амплитуд модулированных сигналов, находящихся в квадратуре;

б) фиксированные относительные значения амплитуд и фаз несущей на выходе модулятора КАМ-16;

на фиг.3 - пространство сигналов иерархической КАМ-16 при параметре модуляции =2;

на фиг.4 - графики зависимости средней вероятности ошибки от параметра модуляции (коэффициента деления напряжения квадратурных несущих):

а) зависимость вероятности ошибки в приеме первого (второго), третьего (четвертого) битов и средней на бит вероятности ошибки при классической КАМ-16;

б) зависимость вероятности ошибки в приеме первого (второго), третьего (четвертого) битов и средней на бит вероятности ошибки при оптимальной иерархической КАМ-16;

На фиг.5 приведены точные значения параметров модуляции (коэффициентов деления напряжения) для различных значений сигнал/шум на входе приемника и энергетические выигрыши (выигрыши в помехоустойчивости) оптимальной КАМ-16 по сравнению с известными иерархическими и классически аналогичными сигналами.

Устройство формирования сигналов квадратурной амплитудной модуляции, показанное на фиг.1 работает следующим образом.

Формирователь КАМ-16 состоит из двух параллельно работающих каналов, в одном из которых производится фазоамплитудная манипуляция сигнала sinwt (канал I), во втором фазоамплитудная манипуляция сигнала coswt (канал Q). Указанные сигналы получаются от общего задающего генератора 1, причем сигнал coswt получается путем сдвига фазы сигнала sinwt на 90° с помощью фазовращателя (0°/90°) 2. Манипуляция фаз сигналов I и Q производится с помощью коммутаторов 5 и 6, на первый вход которых подается сигнал без сдвига фазы, а на второй вход - сигналы со сдвигом по фазе на 180° с выходов фазовращателей 3 и 4. Управление коммутаторами 5 и 6 производится кодовыми комбинациями Ik и Qk, подаваемыми на информационные входы фазоамплитудных манипуляторов. В результате такой модуляции векторы сигналов I и Q будут принимать фиксированные фазовые положения, показанные на фиг.2а.

Амплитудная модуляция сигналов I и Q производится с помощью коммутаторов 7 и 8 и управляемых делителей напряжения 10 и 11 с переменным коэффициентом деления . Управление коммутаторами 7 и 8 производится соответственно кодовыми комбинациями Еk и Dk, поступающими на информационные входы модулятора. Кодовые комбинации Ik, Qk, Ek и Dk поступают от формирователей импульсов источников сообщений.

После сложения промодулированных сигналов I и Q в сумматоре 9 в системе координат I и Q образуется 16 фиксированных точек - фиг.2б. Векторы, соединяющие начало координат и фиксированные точки, будут определять амплитуду и фазу КАМ-несущей на выходе модулятора для различных кодовых комбинаций.

При поступлении на вторые входы делителей напряжения 10 и 11 по обратному каналу информации об отношении сигнал-шум на входе демодулятора КАМ от 10 -11 до 0.1 на выходе устройства формируется классическая сигнальная конструкция КАМ-16. При изменении помеховой обстановки на линии связи и поступлении на вторые входы делителей напряжения 10 и 11 по обратному каналу информации об отношении сигнал-шум на входе демодулятора КАМ от 0.1 до 0.3 (область применения современных турбо-кодов) на выходе устройства формируется оптимальная сигнальная конструкция КАМ-16 (ОКАМ-16) с лучшими энергетическими характеристиками по сравнению с известными классическими и иерархическими сигналами КАМ.

Точные расчеты помехоустойчивости предлагаемой оптимальной КАМ-16 с оптимальным коэффициентом модуляции

по сравнению с помехоустойчивостью аналогичных известных классических с коэффициентом модуляции =1 (фиг.2б) и иерархических с коэффициентом модуляции =2, 4 (фиг.3) сигналов показали следующее.

1. При значениях требуемой средней вероятности ошибки на бит Р b в интервале от 0.3 до 0.1 минимальная средняя энергия на бит h 2 bc ( опт) при оптимальном построении КАМ-16 меньше h 2 bc ( =1/2) необходимой для известной классической КАМ-16 на величину порядка от 0.46 дБ до 0.17 дБ (помехоустойчивость оптимальной КАМ-16 при фиксированной мощности передатчика выше помехоустойчивости классической КАМ-16), а минимальная пиковая энергия h 2 m ( опт) не превышает h 2 m ( =1/2) В этом случае оптимальный параметр модуляции (нормированный коэффициент делителя напряжения) опт меняется от 1 до 0.39 (фиг.5, табл.5.1).

2. Выигрыш в пикфакторе П1/П2 оптимальной КАМ-16 по сравнению с классической КАМ-16 при минимизации пиковой энергии h 2 m составляет величину от 1.342 для Р b =0.4 до 1.08 для Р b =0.2 (фиг.5, табл.5.2).

3. Для достижения требуемого значения средней вероятности ошибки на бит Р тр =0.3 и Р тр =0.1 необходимое значение минимальной пиковой энергии h 2 m при опт значительно меньше, чем h 2 m при =1/2( =1), а с дальнейшим уменьшением Р тр от 10 -2 до 10 -11 величина опт постепенно приближается к 0.5, т.е. к известному классическому построению сигналов КАМ-16 (фиг.4а, б).

4. Предложенное оптимальное построение сигнальной конструкции (СК) КАМ-16 по сравнению с ранее известными классической и иерархической КАМ-16 требует меньшего h 2 m во всем диапазоне значений требуемой средней вероятности ошибки на бит Р b , что, в свою очередь, ведет к выигрышу в энергетических характеристиках первой по сравнению со вторыми, т.е. к снижению потерь помехоустойчивости (фиг.4в).

5. При значениях требуемой Р b в пределах от 0.1 и выше известная иерархическая КАМ-16 при коэффициенте модуляции =4 выигрывает по необходимому h 2 m у ИКАМ-16 с =2 и у классической КАМ-16, но все эти сигнальные конструкции, в свою очередь, проигрывают предложенной оптимальной СК КАМ-16 по энергетике, т.е. по помехоустойчивости (фиг.4г).

Таким образом, при такой совокупности существенных признаков при формировании шестнадцатеричных сигналов квадратурной амплитудной модуляции обеспечивается снижение потерь помехоустойчивости, вызванных введением оптимального коэффициента модуляции (коэффициента делителя напряжения), в зависимости от получаемого по обратному каналу соотношения сигнал-шум на входе демодулятора КАМ-16 как с разбиением, так и без разбиения общего переносимого потока бит на подпотоки по приоритетности.

2. Патент Российской Федерации № 2205518, МПК Н04L 27/20, 11.12.2001.

3. Скляр, Берн. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е, испр. [Текст] / Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1986. - 544 с.

4. Севальнев Л.А. Передача цифровых телевизионных программ с информационным сжатием данных по спутниковым каналам связи // Теле-Спутник, № 7, 1997. - С.64-69.

5. Севальнев Л.А. Передача сигналов цифрового телевидения с информационным сжатием данных по кабельным линиям связи // Теле-Спутник, № 1(27), 1998. - С.54-67.

6. Бураченко Д.Л. Оптимизация сигнальной конструкции иерархической 16 QAM при двух алгоритмах оптимального приема и двух манипуляционных кодах. [Текст]: статья / Д.Л.Бураченко, В.И.Бобровский, И.В.Тимошин // Материалы 8-й международной НТК. - СПб.: ГУТ им. проф. М.А.Бонч-Бруевича, 2002. - С.17-19.

7. Фриск В.В. Основы теории цепей. [Текст] - М.: ИП РадиоСофт, 2002. - С.34-36.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ формирования сигналов квадратурной амплитудной модуляции с формированием несущей частоты путем модуляции и суммирования двух квадратурных сигналов: sin(wt) и cos(wt) по двум параллельно работающим каналам, в каждом из которых производится фазоамплитудная модуляция с помощью управляемых коммутаторов и делителей напряжения, отличающийся тем, что деление напряжения несущего колебания в каждом из двух квадратурных каналов синхронно осуществляется с переменным коэффициентом в зависимости от соотношения сигнал-шум на входе демодулятора приемника, полученного по обратному каналу при наиболее плохой помеховой обстановке.