Понятие – радиоканал, основные характеристики.

Рассмотрим основные понятия(определения) характеризующие радиоканал.

Полоса пропускания (частот) радиоканала - диапазон частот, в пределах которого амплитудно-частотная характеристика(АЧХ) радиоканала достаточно равномерна для того, чтобы обеспечить передачу сигнала без существенных искажений. Полоса пропускания F для радиоканала определяется как область частот в окрестностях f₀. В которой амплитуда сигнала уменьшается не более чем в √2=1.41 раз(в 2 раза для мощности) по сравнению с максимальным значением А₀, что примерно соответствует значению – 3дБ (рис1.1)               F=f_в-f_н

                       Рис.1.1

Цифровые(дискретные) сигналы харктеризуются бесконечным спектором частот и могут быть представлены в виде бесконечной суммы синусоидальных сигналов: 

                                     _∞

                           y(t)= ∑ A_icos(ω_it +φ_i)

                                    _i=0

Бесконечную ширину имеет также спектр двоичного сигнала, представляющего собой последовательность посылок 0 и 1.

При проектировании систем передачи цифровых сигналов, в частности при расчете ее пропускной способности, важно знать максимальную ширину спектра частот передаваемого сигнала. Для качественной передачи сигнала по радиоканалу с возможностью его восстановления(распознавания) в точке приема необходимо, чтобы выполнялись следующие условия:

- полоса пропускания (частот) F=f_в-f_н   радиоканала должна быть не менее чем спектр частот сигнала                                  S= f_n-f₁: F > S; 

- ослабление (затухание) сигнала не превышало некоторой пороговой величины, необходимой для его корректного восстановления в точке приема сигнала;

 - дрожание фазы (джиттер) не превышало пороговой величины необходимой для его корректного восстановления в точке приема сигнала(искажение фазы сигнала).

      При использовании низкочастотных кабельных каналов, полоса частот которых начинается примерно от нуля, цифровые (дискретные) сигналы можно передавать в их естественном виде-без модуляции (в первичной полосе частот) - с небольшой скоростью 50-200бит/с. 

     В высокоскоростных канклах с резко ограниченной полосой пропускания передача сигналов осуществляется посредством модуляцмм и демодуляции с помощью специальных устройств, называемых модемами (модулятор-демодулятор).

Модуляция – перенос сигнала в заданную полосу частот путем изменения параметра (амплитуды, частоты, фазы; величины или направления порстоянного тока) переносчика сигнала, называемого несущей,в соответствии с функцией, отображающей передаваемые данные. Другими словами модуляция– это изменение характеристик несущей в соответствии с информативным сигналом.

    Несущая – аналоговый высокочастотный сигнал, подвергаемый модуляции в соответствии с некоторым информативным сигналом. Несущая, как правило, имеет меньшие показатели затухания и искажений, чем немодулированный информативный сигнал.

           Радиосигнал, на пути распространения от источника к приемнику может встречать преграды. При этом сигнал может быть поглощен ими либо отражен. Отраженный сигнал достигнет приемника, однако произойдет это с опозданием. С другой стороны, остальная энергия сигнала может достичь приемника без переотражения за более короткое время или пройти большее число отражений, что в свою очередь приведет к еще большим задержкам (рис1.2).

                            Рис.1.2

            В результате может сложиться ситуация, когда к приемнику будут поступать не одна, а сразу несколько сдвинутых по времени (по фазе) копий исходного сигнала с разными амплитудами. Причем энергия исходного сигнала будет распределена между копиями неравномерно. Это так называемое явление многолучевого распространения сигнала. Может сложиться ситуация, когда две копии сигнала придут в противофазе. Это означает, что копия сигнала может задержаться на промежуток времени, кратный периоду сигнала.

                        Рис.1.3

 В таком случае два луча сигнала могут сложиться в приемнике и нейтрализовать друг друга(рис.1.3). Если окажется, что эти два луча в сумме несли весомую энергию сигнала, то это может привести к увеличению числа ошибок и снижению качества канала связи. Это явление получило название "замирания" сигнала, т.е. сигнал вроде как перестает на время поступать между источником и приемником.

          На практике разности хода отдельных лучей часто меньше в сравнении с длительностью элемента сигнала (тактового интервала) и при этом непостоянны по величине, например, если приемник или передатчик перемещаются в пространстве. Таким образом, суммарный сигнал в приемнике составлен из отдельных сигналов, амплитуда и фаза которых непрерывно меняется. И при значительных разностях фаз и амплитуд возникает ситуация, когда амплитуда результирующего сигнала падает ниже уровня чувствительности приемника — возникает замирание. Количество замираний, а точнее доля времени, в течение которого в канале происходит замирание, зависит от многих факторов — скорости передвижения приемника/передатчика, числа лучей 1 из 2 (отражений), длины волны (частоты) несущей. Для моделирования таких ситуаций были разработаны две основные модели радиоканала — модель с релеевскими замираниями и модель с райсовскими замираниями. Каналом с замираниями называют такой канал, в котором амплитуды составляющих сигнала, приходящего к приемнику, подвержены флуктуациям. В реальных условиях при флуктуации амплитуд составляющих сигнала всегда наблюдаются и флуктуации фаз.

- Аддитивный канал Гаусса - прямая видимость, нет отраженных сигналов

- Канал Райса - прямая видимость, есть отраженные сигналы

- Канал Релея - нет прямой видимости, прием только отраженных сигналов

В каналах Релея и Райса помимо аддитивной составляющей шума присутствуют мультипликативные шумы, вызванные переотражениями и движениями объектов в среде. Прохождение сигнала через канал можно представить следующим образом(рис.1.4):
Аддитивный канал Гаусса: (Прямая видимость, нет                    

                                                                                            отраженных сигналов).

Канал Райса:                 (Прямая видимость, есть отраженные

                                                                                                          сигналы).

Канал Релея: (Нет прямой видимости, прием только

                                                                                     отраженных сигналов).

                                     Рис.1.4

В цифровых системах по радиоканалам необходимо передавать цифровой сигнал – транспортный поток. Этот цифровой сигнал необходимо передавать в выделенной для данного радиоканала полосе частот. При этом необходимо решать задачи модуляции несущего колебания цифровым сигналом и защиты его от помех.

Важнейшей задачей при передаче цифровых сигналов является необходимость увеличения эффективности использования полосы частот(пропускания) радиоканала связи, что достигается применением более сложных методов модуляции несущей.

    На линию связи(радиоканал) воздействуют внутренние шумы и внешние помехи, искажаюшие передаваемые сигналы. Способность ситемы противостоять вредному воздействию помех называется помехоустойчивотсттью.

Как известно, цифровая информация передается в виде двоичных символов – единиц и нулей. Из двоичных символов состоят кодовые комбинации (кодовые слова), каждая из которых в случае цифрового телевизионного сигнала может содержать информацию, например, о значении одного отсчета этого сигнала. В результате действия шумов и помех отдельные двоичные символы могут быть приняты с ошибкой. Это объясняется тем, что само по себе преобразование аналоговых сигналов в цифровую форму еще не гарантирует высокой помехозащищенности передаваемой информации. При этом надо иметь в виду, что проявление ошибок в цифровых системах существенно отличается от заметности флуктуационного шума в аналоговой системе. Ошибка в одном двоичном разряде может изменить значение отсчета сигнала многократно, если она произошла в старшем разряде кодового слова. Например, при использовании различных методов сокращения избыточности телевизионного сигнала одиночная ошибка может привести к искажению, например, участка строки или даже группы строк. Интенсивность ошибок характеризуется их относительной частотой f_ош [ош/дв. символ], показывающей вероятность того, что принятый отдельный двоичный символ ошибочен. В англоязычной технической литературе эта величина обычно называется BER (Bit Error Rate – частота ошибок на 1 бит или коэффициент ошибок).

Вероятность ошибки в одном разряде может составлять 10^–4…10^–5. Это означает, что при скоростях цифрового потока данных, равных нескольким десяткам Мбит/с, каждую секунду будут происходить сотни ошибок. Качество такого сигнала будет неудовлетворительным.

Рассмотрим основные причины возникновения ошибок:

- воздействие шумов различной природы (тепловой шум, шум генерации-рекомбинации, фликкер-шум и т.д.), в большинстве случаев проявляющиеся во входных каскадах приемной аппаратуры;

- индустриальные и атмосферные помехи;

- помехи, создаваемые радиопередатчиками, работающими в этой же полосе частот в соседних районах (явление интерференции);

- многолучевое распространение радиоволн, возникающее из-за отражений от искусственно созданных сооружений, например, жилых зданий, и от естественных возвышенностей, обусловленных рельефом поверхности земли.         

Ошибки при приеме двоичных символов классифицируются на одиночные и пакетные (групповые). Одиночные ошибки, как правило, не зависят друг от друга. Пакетные ошибки искажают сразу несколько соседних двоичных символов. Например, вследствие воздействия достаточно продолжительной импульсной помехи несколько идущих подряд двоичных символов становятся равными нулю или единице.

Традиционными способами повышения помехоустойчивости цифровых телевизионных систем, обеспечивающих наземное вещание, являются:

- увеличение мощности радиопередатчика;

- выбор антенно-фидерных устройств с оптимальными для конкретного случая параметрами;

- уменьшение уровня шумов в приемниках путем применения малошумящей элементной базы;

- рациональное планирование использования радиоканалов на смежных территориях.

К сожалению, все эти методы имеют ограничения, связанные с реальными техническими возможностями, с конечной шириной доступного эфирного диапазона частот, с высокой стоимостью приемной аппаратуры и т.д.

В случае передачи цифровых сигналов значительное повышение помехоустойчивости может быть достигнуто путем применения кодов, исправляющих ошибки. В цифровых телевизионных системах одновременно с помехоустойчивым кодированием дополнительно выполняется операция перемешивания данных цифрового потока, которая преобразует пакетные ошибки в совокупность одиночных ошибок. Данное преобразование имеет большое практическое значение, так как исправление одиночных ошибок является значительно более простой технической задачей по сравнению с исправлением пакетных ошибок.

Одновременно выполняемые операции перемешивания данных и помехоустойчивое кодирование очень часто называются канальным кодированием, которое реализуется непосредственно перед передачей цифровой информации по радиоканалу и, как правило, совмещается с модуляцией. Канальное кодирование, как правило, основано на введении некоторой избыточности в передаваемое сообщение для того, чтобы влияние помех на цифровой сигнал в радиоканале было минимальным.

Перемежение и скремблирование

Одним из эффективных методов уменьшения влияния пакетных ошибок яв­ляется перемежение или перемешивание. Перемежение в технической литературе иногда называют интерливингом (англ. – interleaving). Данные перед передачей по каналу связи, переставляются в заданном порядке, а в приемной части восстанавливается исходный порядок, то есть выполняется деперемежение. При этом пакетная ошибка, возникшая в канале связи, превращается в набор рассредоточенных во времени одиночных ошибок, которые проще обнаруживаются и исправляются с помощью кодов, исправляющих ошибки.

Пример перемежения и деперемежения показан на рис. 1.5. Исходный цифровой сигнал представляет собой последовательность 4-раз­рядных двоичных слов, передаваемых бит за битом (рис. 1.5, а). Перемежение выполняется в пределах каждых 4 слов, то есть в пределах отрезка цифрового сигнала, содержащего 16 бит. Числа показывают номера бит в этом отрезке. В результате пе­ремежения биты переставляются (рис. 1.5, б). Биты, искаженные действием пакетной ошибки, отмечены звездочками. В результате деперемежения (рис. 1.5, в) восстанавливается исходный порядок бит и искаженные биты рассредотачиваются.

Рис. 1.5. Схема перестановки отдельных бит
при перемежении и деперемежении

Переставляться могут не только отдельные биты, но и группы бит напри­мер, байты.

Один из распространенных практических методов перемешивания называется скремблированием, которое обеспечивает равномерное распределение энергии передаваемого сигнала в полосе пропускания радиоканала. В процессе скремблирования цифровой сигнал, подлежащий передаче по радиоканалу, суммируют по модулю 2 со специальным скремблирующим сигналом, чьи статистические свойства весьма близки к свойствам случайного процесса. Этот специальный сигнал генерируется в скремблере и называется псевдослучайной последовательностью (ПСП). В результате суммирования внутренние корреляционные связи в цифровом сигнале значительно ослабляются, его частотный спектр становится более равномерным. На приемной стороне повторное суммирование с той же ПСП, восстановленной в дескремблере по известному закону ее формирования, позволяет вернуться к первоначальному виду сигнала. Скремблирование называют еще рандомизацией.

В техническом отношении реализация скремблирования связана с использованием линейных фильтров, образованных сдвиговыми регистрами с прямыми и обратными связями. Примеры функциональных схем скремблера и дескремблера приведены на рис. 1.6.

Рис. 1.6. Функциональные схемы скремблера и дескремблера:

а) передающая сторона; б) приемная сторона

Правила суммирования по модулю 2, реализуемые как в скремблере, так и в дескремблере, достаточно просты: ; ; ; . Из этих правил следует, что если какой-либо бит два раза сложить по модулю 2 с одним и тем же двоичным символом, то снова получим исходный бит.

Следовательно, для элементов передаваемой псевдослучайной последовательности  выполняется соотношение (см. рис. 1.6, а^­)

                                 ,

где , ,  – символы входного сигнала. При восстановлении исходной последовательности на приемной стороне справедливо преобразование

                         .

Поскольку , получим . Таким образом, при отсутствии ошибок происходит полное восстановление переданного сигнала.

Побочным положительным эффектом скремблирования является более равномерное распределение переходов в цифровом сигнале, что облегчает решение задачи синхронизации на приемном конце.

Термином скремблирование в системах цифрового телевидения называют также изменение характеристик потока данных с целью предотвращения несанкционированного получения передаваемой информации в неискаженном виде.