Параметры модуляции несущих сигналов

ТЕМА 11-2 ПРИМЕНЕНИЕ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ СРЕДСТВ РЭЗИ И ЭСБ

(ТТвЭСБ)

 

Содержание:

11.4 Параметры модуляции несущих сигналов

11.5 Расчет вероятности битовых ошибок в канале передачи данных

 

Параметры модуляции несущих сигналов

 

11.4.1 Понятие «сигнал» имеет неоднозначное толкование. В широком смысле слово сигнал понимается как материальный носитель информации. В материальную основу сигнала может быть положен либо некий физический объект, либо процесс, который называется носителем информации. Например, жетон дающий право проезда в метро является носителем информации (свидетельствует) об оплате проезда. Красный свет светофора означает запрет на движение. В цифровых системах передачи данных электрическое напряжение, имеющее форму импульса на заданном интервале времени, несет 1 бит информации.

К сигналам относятся как естественные носители информации, например, световые потоки, отраженные от объектов окружающего мира и воспринимаемые человеком как сведения об этих объектах, так и искусственно созданные сигналы, например, зондирующие сигналы в радиолокации, которые, отражаясь от объектов в пространстве, содержат определенные сведения о них, т.е. информацию.

В телекоммуникационных системах понятие «сигнал» используется в узком смысле, как специально созданный переносчик, который содержит сообщения о состояниях источника сообщения. Эти состояния и представляют определенные сведения для получателя, т.е. информацию.

Состояния источника могут изменяться во времени непрерывно или дискретно. Соответственно и сигналы бывают как непрерывными, так и дискретными. Например, непрерывный речевой сигнал, получаемый с помощью микрофона, содержит сведения об изменении давления воздуха, которое создается артикулярным аппаратом говорящего, а дискретные сигналы, например, сигналы периодических отсчетов времени, создаются с помощью метронома.

Физический носитель сообщения становится сигналом в процессе модуляции – изменения его определённых свойств. Эти свойства называются параметрами сигнала. Те параметры физического носителя сообщения, которые изменяются в соответствии с сообщением (модулируются), называют информативными.

В телекоммуникационных системах в качестве носителей сообщений (вторичных сигналов) преимущественно используются электромагнитные волны или колебания токов и напряжений, параметры которых модулируются в соответствии с сообщениями. Например, при использовании в проводных системах гармонических колебаний напряжения или тока информативными являются такие параметры, как амплитуда, частота и фаза. Они могут быть модулированы как непрерывными, так и дискретными процессами несущими информацию. Эти процессы называются первичными сигналами.

Детерминированными сигналами называют колебания – носители информации, которые точно определены в любые моменты времени, т.е. полностью предсказуемы. У детерминированного, например, гармонического сигнала (процесса) известными являются амплитуда, частота и фаза, а у детерминированного процесса в виде электромагнитной или ультразвуковой волны – интенсивность, частота, фаза, поляризация, направление прихода (угол падения), запаздывание во времени. Сами по себе такие сигналы информацию не несут, поскольку их параметры не модулированы.

Случайные сигналы отличаются тем, что значения их некоторых параметров предсказать невозможно. Именно такие сигналы являются информативными, поскольку отражают состояния источника сообщения, которые априори (до получения сигнала) получателю информации неизвестны и поэтому представляют интерес при их получении.

11.4.2 Первичные непрерывные сигналы, соответствующие сообщениям различной природы, представляют собой случайные процессы, содержащие информацию. Для передачи этой информации по цифровым каналам связи они преобразуются посредством аналого-цифрового преобразования в унитарные (последовательные) двоичные коды, которые представляют собой потоки бит.

Известны три основные технологии манипуляции (дискретной модуляции) детерминированных гармонических сигналов (носителей) потоками бит (Рис. 11.8):

- амплитудная манипуляция АМн или ASK (amplitude-shift keying);

- частотная манипуляция ЧМн или FSK (frequency-shift keying);

- фазовая манипуляция ФМн или PSK (phase-shift keying).

Следует отметить, что во всех перечисленных случаях модулированный сигнал не содержит постоянной составляющей, а поскольку он имеет случайный характер и его математическое ожидание равно нулю, то говорят, что он центрирован на несущей частоте.

11.4.2.1 Приамплитудной манипуляции значения «лог.1» и «лог.0» представляются отрезками синусоид с частотой, называемой частотой несущей, и с двумя различными амплитудами. Как правило, но не обязательно, амплитуда соответствует «лог.1», а - «лог.0» (Рис. 11.8б). Аналитически такой сигнал описывается выражением:

 

 

Из-за низкой помехоустойчивости этот метод применяется в системах с низким уровнем помех, например, для передачи цифровых данных по оптоволокну с использованием оптических передатчиков на светодиодах. При этом сигнальная посылка «лог.1» представляется световым импульсом (вспышкой света), а посылка «лог.0» - отсутствием света.

11.4.2.2 Среди различных видов частотной манипуляции наиболее распространённой является бинарная BFSK (binary frequency-shift keying), при которой два двоичных символа представляются сигналами двух различных частот, расположенных с некоторой расстройкой относительно несущей (Рис. 11.8в). Аналитически такой сигнал описывается выражением:

 

где и - частоты сигналов, смещённые относительно несущей частоты на величины, равные по модулю, но противоположные по знаку.

 

Рисунок 11.8 – Манипулированный битовым потоком гармонический носитель тремя способами манипуляции

 

Пример использования частотной манипуляции для дуплексной (одновременной в двух направлениях) передачи цифровых сигналов по телефонному каналу в полосе частот приведен на рисунке 11.9.

При передаче в одном направлении символы «0» или «1» представляются несущими частотами, смещёнными на относительно частоты . Для наглядности, значения несущих частот на рисунке обозначены штрихами с указанием их значений. Спектр такого сигнала ограничен огибающей, расположенной в левой части рисунка 11.9.

В противоположном направлении передаются символы «0» или «1» на частотах, смещённых на относительно частоты . Огибающая спектра такого сигнала расположена в правой части рисунка 11.9.

На рисунке видно, что спектры сигналов разных направлений незначительно перекрываются из-за отличия полосовых фильтров каналообразующей аппаратуры от идеальных, поэтому на практике наблюдается незначительная интерференция спектральных составляющих на совпадающих частотах.

 

Рисунок 11.9 – Спектры сигналов при дуплексной передаче цифровой информации

по телефонной линии с использованием частотной манипуляции

 

Помехоустойчивость бинарной частотной манипуляции по сравнению с амплитудной манипуляцией выше, поскольку действие помех искажает амплитуду сигнала в гораздо большей степени, чем его частоту.

11.4.2.3 При фазовой бинарной манипуляции BPSK (Binary Phase-shift Keying) битовым потоком данных несущего гармонического сигнала в простейшем случае выполняется смещение его фазы на величину равную в соответствии со сменой значений символа с «лог.0» на «лог.1» (Рис.11.8г). Аналитически такой сигнал описывается выражением:

 

 

Поскольку сдвиг фазы синусоидального колебания на соответствует изменению знака на противоположный, математически это эквивалентно умножению синусоиды на –1 и может использоваться для описания сигнала PSK в виде , где - битовый поток данных.

Часто на практике используется двухуровневая BPSK в дифференциальной форме (DPSK). В данной форме представления потока символов очередной сдвиг фазы сигнала на выполняется относительно предыдущего значения фазы сигнала при поступлении на модулятор очередного символа «лог.1». Если за символом «лог.1» следуют символы «лог.0», то фаза сигнала не изменяется вплоть до прихода очередного символа «лог.1» и т.д. Использование DPSK ослабляет требования к стабильности частот местных гетеродинов приёмника и передатчика.

Из теории связи известно, что наивысшей помехоустойчивостью обладает двоичная фазовая модуляция BPSK. Однако в ряде случаев, допуская снижение помехоустойчивости канала связи, можно увеличить его пропускную способность

11.4.2.4 Производительность источника сообщений в цифровой форме, в виде данных, характеризуется скоростью битового потока данных, которая определяется как , где - длительность сигнала переносящего 1 бит информации.

Как известно, для согласования параметров сигналов при их передаче с параметрами каналов используются различные виды модуляции. При этом одним из основных показателей, определяющих эффективность того или иного вида модуляции, является эффективность использования полосы частот (спектральная эффективность ). Она оценивается отношением скорости битового потока данных к ширине полосы частот , спектра модулированных сигналов, предназначенных для передачи по каналу связи.

 

 

В отношении использования полосы пропускания канала связи, тот вид модуляции более эффективен, который при одинаковой полосе частот спектра сигнала обеспечивает скорость передачи битового потока данных выше или при заданной полосе частот обеспечивает более высокую скорость передачи потока бит.

Спектральная эффективность зависит от многих факторов, в том числе от того как определяется ширина полосы модулированного сигнала и методов фильтрации, применяемых для формирования сигнала с шириной полосы .

Например, ширина полосы пропускания для сигнала ASK и PSK определяется из выражения:

,

где - коэффициент, учитывающий метод фильтрации спектра сигнала при формировании сигнала для передачи по каналу связи. Применяя многофазную передачу сигналов можно добиться значительно более эффективного использования полосы частот.

Ширина полосы частот сигнала FSK определяется следующим образом:

,

где - смещение частоты манипулированного сигнала относительно несущей. В этой формуле в случае использования очень высоких частот доминирует член с DF.

11.4.3 Если с каждой сигнальной посылкой (бодом) на интервале времени ее передачи (бодовом интервале) представить более одного бита информации, то это позволит эффективнее использовать полосу частот, занимаемую спектром сигнала, т.е. повысить спектральную эффективность. Такие виды модуляции получили название «высокоуровневые», «высшего порядка», «комбинированные» и др.

11.4.3.1 Квадратурная амплитудная модуляция QAM (Quadrature Amplitude Modulation) относится к высокоуровневым видам модуляции. В процессе квадратурной амплитудной модуляции изменяется как фаза, так и амплитуда несущего колебания. Это позволяет увеличить количество передаваемых в единицу времени бит и повысить помехоустойчивость их передачи по каналу связи. В настоящее время число кодируемых и передаваемых информационных бит на одном бодовом интервале может достигать 8 - 9, а число позиций сигнала (возможных комбинаций единиц и нулей) в сигнальном пространстве – 256 - 512.

Представление гармонического сигнала в виде суммы двух гармонических составляющих, сдвинутых по фазе на 90⁰, позволяет посредством задания соотношения двуполярных амплитуд и этих составляющих сформировать результирующий гармонический сигнал с амплитудой и требуемой фазой . Сигналы и получили название квадратурных составляющих .

Если битовый поток последовательно разделять на порции (группы) по - бит в каждой, выделять в каждой из них биты, находящиеся на нечётных и чётных временных интервалах длительностью , а полученным кодам поставить в соответствие значения и , то, сформировав сигнал длительностью , можно уменьшить требуемую полосу частот передачи с до при сохранении скорости передачи исходного битового потока. На приёмной стороне этот поток может быть восстановлен путём демодуляции – преобразования обратного модуляции.

На рисунке 11.10 приведена обобщённая функциональная схема квадратурного модулятора, позволяющая сформировать гармонические сигналы длительностью , у которых амплитуды и фазы будут соответствовать двухразрядным двоичным кодам и (групы ), полученных из входного цифрового потока данных. При этом фаза сигнала будет принимать на интервале одно из 4-х возможных значений.

 

 

Рисунок 11.10 - Обобщённая функциональная схема квадратурного модулятора QPSK

 

В этой схеме исходная последовательность бит длительностью каждый при помощи регистра сдвига разделяется два потока: поток нечетных y и поток четных x бит, которые поступают на входы формирователей манипулирующих импульсов (ФМИ) соответственно квадратурного (cos ωt) и синфазного (sin ωt) каналов. На входы канальных перемножителей сигналов (балансных модуляторов) с выходов ФМИ поступают последовательности биполярных импульсов x (t) и y (t) с амплитудами и длительностью , которые соответствуют значениям двухразрядных кодов. Эти импульсные последовательности модулируют по амплитуде два одинаковых несущих гармонических колебания, сдвинутых по фазе на 90^о, амплитуды которых на выходе перемножителей пропорциональны величинам сигналов на входе, действующих на интервалах . После суммирования они образуют сигнал - квадратурный ФМ4 или QPSK (Quadrature Phase Shift Keying).

Поскольку в каждом канале модулятора осуществляется амплитудная манипуляция, этот вид модуляции получил ещё одно называние – QASK (Quadrature Amplitude Shift Keying - квадратурная амплитудная манипуляция) или просто «квадратурная амплитудная модуляция» QAM (Quadrature Amplitude Modulate - КАМ).

При одновременной смене символов в обоих каналах модулятора (с 10 на 01, или с 00 на 11) в сигнале ФМ-4 происходит скачок фазы на 180°. Такие скачки фазы вызывают паразитную амплитудную модуляцию огибающей сигнала. В результате этого при прохождении сигнала на приемной стороне через узкополосный фильтр возникают провалы огибающей несущего колебания до нуля. Такие изменения сигнала нежелательны, поскольку приводят к увеличению энергии боковых полос и помех в канале связи.

11.4.3.2 Четырехфазная квадратурная амплитудная манипуляция со сдвигомOQPSK (Offset Quadrature Amplitude Shift Keying) позволяет исключить на приемной стороне скачки фазы на 180° и, следовательно, глубокой паразитной модуляции огибающей. Формирование сигнала в модуляторе OQPSK происходит так же, как и в модуляторе ФМ-4, за исключением того, что манипуляционные элементы информационных последовательностей x (t) и y (t) смещены во времени на длительность одного элемента , (как показано на Рис. 11.11 б, в). Изменение фазы при таком смещении модулирующих потоков определяется лишь одним элементом последовательности, а не двумя, как при ФМ-4. В результате скачки фазы на 180° отсутствуют, так как каждый элемент последовательности, поступающий на вход модулятора синфазного или квадратурного канала, может вызвать изменение фазы на 0, +90° или -90°.

 

 

Рисунок 11.11 - Эпюры формирования манипулирующих сигналов OQPSK

 

Преобразованные таким образом сигналы передаются в одном канале. Поскольку один и тот же физический канал используется для передачи двух сигналов, то скорость передачи КАМ-сигнала в отличие от АМ-сигнала в два раза выше.

При квадратурной амплитудной модуляции формируются два логически независимых канала, т. е. единичному уровню в одном канале может соответствовать единичный или нулевой уровень в другом канале. Благодаря этому два выходных сигнала не влияют друг на друга при прохождении по одной и той же физической среде.

Пользуясь геометрической трактовкой, каждый сигнал КАМ можно изобразить вектором в сигнальном пространстве. Причем, концы векторов в нем отображаются в виде сигнальных точек, координаты которых определяются значениями x (t) и y (t). Совокупность сигнальных точек образует, так называемое, сигнальное созвездие (signal constellation).

В общем случае, для системы, поддерживающей m амплитудных уровней для каждого потока двоичных символов, можно образовать m ² различных комбинаций нуля и единицы. Аналогично, диаграмма, отображающая все возможные значения сигнала (комбинации нуля и единицы) системы многоуровневой модуляции, называется диаграммой констелляции или диаграммой совокупности состояний.

11.4.3.3 На рисунке 11.12 показана структурная схема модулятора и диаграмма состояний (сигнальное созвездие) системы КАМ-16, в которой x (t) и y (t) принимают значения ±1, ±3 (4-х уровневая КАМ). Как видно из рисунка 11.12, созвездие содержит 16 сигнальных точек, каждая из которых соответствует четырем передаваемым информационным битам.

Существует несколько способов практической реализации 4-уровневой КАМ. Наиболее распространенным из них является так называемый способ модуляции наложением SPM (Superposed Modulation).

В схеме SPM, реализующей данный способ, используются два одинаковых 4-фазных модулятора. Структурная схема модулятора SPM и диаграммы, поясняющие его работу, приведены на рисунке 11.13. Если задается шесть амплитудных уровней (±1, ±3, ±5) для каждого потока, то можно получить систему КАМ с совокупностью состояний, равной 6²=36. Однако из них в протоколах ITU-T используется только 32 равномерно распределенных в сигнальном пространстве точек.

 

Рисунок 11.12 - Схема модулятора и сигнальная диаграмма

 

11.4.3.4 В общем случае, при формировании сигналов многопозиционной QAM модуляция ортогональных сигналов осуществляется в цифровом виде. Для этих целей используется два цифровых полосовых фильтра с одинаковой амплитудой входных колебаний, но различающихся фазовым сдвигом в 90^о. Уровни усиления амплитуды для каждого потока устанавливают независимо. Для системы, поддерживающей m амплитудных уровней для каждого потока можно образовать m ² различных комбинаций нуля и единицы. На рис. 4.5 показана диаграмма состояний для системы КАМ-64, которая получается, если задается восемь амплитудных уровней для каждого потока.

Из теории связи известно, что при равном числе точек в сигнальном созвездии спектр сигналов КАМ идентичен спектру сигналов ФМ. Однако помехоустойчивость систем ФМ и КАМ различна. При одинаковом числе точек сигналы системы КАМ имеют лучшую помехозащищенность, чем сигналы системы ФМ. Основная причина этого состоит в том, что расстояние между сигнальными точками в системе ФМ меньше расстояния между сигнальными точками в системе КАМ. На рисунке 11.14 представлены сигнальные созвездия систем КАМ-16 и ФМ-16 при одинаковой нормированной мощности сигнала.

 

Рисунок 11.13 - Схема (а) и сигнальная диаграмма (б) модулятора КАМ-16

 

Рисунок 11.4 - Сигнальные созвездия КАМ-16 и ФМ-16

 

Расстояние между соседними точками сигнального созвездия в системе КАМ с L уровнями модуляции определяется выражением: . В системе ФМ расстояние , где М – число фаз. Так, например, при , и и а при и и .

11.4.3.5 Амплитудно-фазовая модуляция с подавлением несущей - CAP (Carrier less Amplitude Phase modulation) является одним из наиболее широко используемых видов модуляции в системах доступа xDSL (Digital Subscriber Line - цифровая абонентская линия). По существу, САР-модуляция представляет собой одну из разновидностей КАМ. Ее особенность заключается в специальной обработке модулированного сигнала до передачи в линию. В процессе этой обработки из спектра модулированного сигнала частично подавляется неинформативная составляющая, соответствующая сигналу несущей частоты, и отсекается нижняя боковая полоса. Такие преобразования спектра выполняются для обеспечения большей энергетики полезного сигнала и уменьшения уровня перекрёстных помех у групповых сигналов, которые передаются одновременно по одной линии связи.

Процесс формирования спектра САР-сигнала иллюстрируется c помощью эпюр а, б, в на рисунке 11.5.

 

Рисунок 11.5 – Этапы формирования спектра САР-модулированного сигнала

 

Как видно из рисунка 11.5, максимальная частота передаваемого сигнала имеет значение , частота модулируемого колебания (носителя) – . После выполнения процедуры гармонической модуляции спектр полезного сигнала (Рис. 11.5а) переносится в область частоты с образованием двух зеркальных спектров сигнала относительно несущей . Для восстановления переданного сигнала на приемной стороне достаточно передать только одну из зеркальных компонент модулированного сигнала и частично подавленную несущую. Гармоника с частотой не является информативной, и ее ослабление не повлияет на качество восстановленного сигнала. Для частичного подавления несущего колебания используются синфазный и квадратурный фильтры. Спектр модулированного сигнала, сформированного в соответствии с методом САР-модуляции, изображён на рисунке 11.5в.

Одна из возможных структурных схем формирования сигнала, модулированного по методу САР, представлена на рисунке 11.6.

 

Рисунок 11.6 – Структурная схема формирователя САР-модулированного сигнала

 

Для правильного восстановления САР-модулированного сигнала на приёмной стороне должны быть выполнены операции по восстановлению несущего колебания с частотой . После восстановления несущей приемник выполняет те же операции, что и приёмник КАМ. Поскольку амплитудно-фазовая модуляция с подавлением несущей является, по сути, квадратурной амплитудной модуляцией, ей свойственны все положительные качества, которые присущи этому виду модуляции:

- относительная простота реализации;

- высокая спектральная эффективность

- высокая помехоустойчивость.

Именно этот способ модуляции теоретически способен обеспечить максимальные значения отношения сигнал/шум. Такие сигналы используются для построения широкополосных каналов телекоммуникационных систем, построенных на основе технологий хDSL – от высокоскоростных SDSL до VSDSL.

Сдерживающим фактором широкого применения на практике данного способа модуляции является отсутствие стандартизирующего документа, определяющего процедуры, в соответствии с которыми выполняется преобразование сигнала. Одной из причин, которые приводят к сдерживанию внедрения этой технологии, является сильная поддержка альтернативной по отношению к САР – технологии DMT.

11.4.3.6 Многочастотный способ модуляции - DMT (Discrete MultiTone – дискретная мультитональная модуляция) в настоящее время является одним из основных методов модуляции, используемых в наиболее перспективных технологиях xDSL. В технологии DMT, в отличие от САР, используется целый набор несущих частот, количество которых определяется числом каналов в полосе частот, занимаемой спектром DMT-сигнала. При этом исходный передаваемый битовый поток с помощью обработки в цифровом сигнальном процессоре – DSP (Digital Signal Processor), преобразуется в N парциальных низкоскоростных битовых потоков. Эта операция чем-то напоминает демультиплексирование. Операцию по восстановлению исходного битового потока на приёмной стороне можно рассматривать как эквивалент мультиплексирования.

Каждый низкоскоростной парциальный поток модулируются и передаётся независимо в одном из N частотных каналов. Применительно к системам xDSL в полосе частот, занимаемой сигналом DMT, размещается 256 частотных каналов. Частотные каналы имеют ширину полосы пропускания по 4,3 кГц и служат для организации независимой передачи данных в каждом из них. Пример распределения независимых каналов по методу DMT (частотный план) показан на рисунке 11.7.

 

 

Рисунок 11.7 – План распределения независимых частотных каналов

по методу DMT в аналоговой телефонной линии

 

В соответствии с технологией xDSL на этапе вхождения в связь для передачи данных производится проверка качества линии передачи. После этого, передатчик, исходя из уровня помех в частотном диапазоне сигнала DMT, для каждого из отдельных каналов выбирает подходящую схему модуляции. В частотных каналах с малым уровнем помех могут быть использованы методы модуляции с большими значениями спектральной эффективности, например, КАМ-64. На более зашумленных участках могут быть использованы более помехоустойчивые алгоритмы модуляции, например, КАМ-4. Очевидно, что использование принципа регулирования скорости передачи данных при фиксированной полосе пропускания канала позволяет наиболее точно согласовывать параметры модулированного сигнала с параметрами линии в каждом частотном канале, по которым он будет передаваться. При передаче данных информация распределяется между независимыми каналами пропорционально пропускной способности каналов, зависящей от уровня помех.

Трансивер в канале передачи на стороне приёма выполняет операцию демодуляции КАМ, а процессор DSP - операцию мультиплексирования парциальных потоков, восстанавливая на приёмной стороне исходный битовый поток.

Способ DMT является дальнейшим развитием идеи, составляющей основу КАМ. Этот способ позволяет обеспечить высокую скорость и надежность передачи данных. Другим важным его достоинством является возможность оперативной и точной адаптации приёмо-передающих устройств (трансиверов) к характеристикам конкретной линии связи. Этот алгоритм стандартизован.

К недостаткам DMT-модуляции можно отнести сложность, и относительно высокую стоимость ее аппаратной реализации. Однако отмеченные недостатки при постоянном развитии технологий являются все менее критичными. В подтверждение тому метод DMT утвержден в качестве основного способа модуляции стандартов ANSI для технологий xDSL.

11.4.3.6 Квадратурная амплитудная модуляция (КАМ-х) относится к высокоуровневым видам модуляции. Такие виды модуляции, в отличие от простых сигналов, дают возможность на интервале длительности сигнала Т_С передавать более одного бита информации [N(бит) = log₂(x), где «х» - порядок модуляции] за счет того, что их база (В) – произвдение длистельности сигнала (Т_С) на ширину спектра частот ∆F, занимаемого его спектром больше единицы (В = Т_С×∆F>1). Например, база простого импульсного сигнала, несущего 1бит информации В = Т_С×∆F = 1, поскольку ширина его спектра определяется выражением ∆F = 1/ Т_С, в то время как база сигнала КАМ-64 при той же длительности сигнала будет в шесть раз больше [log₂(64) = 6)]. В последнем случае за один тактовый интервал (Т_С) передается 6 бит информации и скорость передачи возрастает в шесть раз без расширения полосы частот, занимаемых таким сигналом.

Однако, «платой» за это преимущество перед простым сигналом является снижение помехоустойчивости при передаче такого сигнала через зашумленный канал связи. Поэтому во всех высокоскоростных протоколах передачи данных с использованием КАМ-модуляции применяется решетчатое кодирование – специальный вид сверточного кодирования данных, позволяющий на стороне приема повысить помехоустойчивость передачи в целом за счет исправления ошибок при декодировании. В результате появился новый способ модуляции, называемый треллис-модуляцией – TCM (Trellis Coded Modulation).

Выбранная определенным образом комбинация КАМ порядка «х» и помехоустойчивого кода в отечественной технической литературе носит название сигнально-кодовой конструкции (СКК). Сигналы СКК, при прочих равных условиях, позволяют повысить помехозащищённость передачи информации одновременно со снижением требований к величине отношения сигнал/шум на 3 - 6 дБ. Это объясняется увеличением вдвое числа сигнальных точек в сигнальном созвездии ТСМ за счёт добавления к информационным битам одного избыточного, образованного путём свёрточного кодирования. Расширенный таким образом закодированный блок битов подвергается КАМ.

Принятый треллис-кодированный битовый поток декодируется по алгоритму Витерби. Именно этот алгоритм за счет введенной избыточности и знания предыстории процесса приема позволяет по критерию максимального правдоподобия выбрать из сигнального пространства наиболее достоверную точку (наиболее подобную точек в сигнальном созвездии). Все применяемые сегодня СКК используют свёрточное кодирование со скоростью (n -1)/ n, т.е. при передаче одного сигнального элемента используется только один избыточный двоичный символ. Типичная структурная схема сверточного кодера со скоростью кодирования, равной 2/3, приведена на рисунке 11.8.

 

 

Рисунок 11.8 - Структурная схема сверточного кодера со скоростью кодирования, равной 2/3

 

В схеме, представленной на рисунке 11.8, сверточный кодер с относительной скоростью кода, равной 2/3, используется совместно с модулятором ФМ-8. Каждым двум информационным битам на входе кодер сопоставляет трехсимвольные двоичные блоки на выходе, которые поступают на модулятор ФМ-8.

Применение сигналов с ФМ-8 связано с разрешением проблемы неоднозначности фазы восстановленной на приеме несущей. Данная проблема решается за счет относительного (дифференциального) кодирования, что в системах передачи без помехоустойчивого кодирования приводит к размножению ошибок. В системах с помехоустойчивым кодированием относительное кодирование также используется. В этом случае имеет значение последовательность включения относительного и помехоустойчивого кодеров.

Различают внешнее и внутреннее относительное кодирование. При внутреннем кодировании относительный кодер расположен на выходе помехоустойчивого кодера, а на приемной стороне относительный декодер включен на входе помехоустойчивого декодера (Рис. 11.9а). Внешнее относительное кодирование в ряде случаев является более выгодным, так как источник размножения ошибок – относительный декодер – включен на выходе помехоустойчивого декодера (Рис. 11.9б). Однако при этом возникают трудности декодирования, вызванные неоднозначностью фазы опорного колебания при демодуляции. Например, при использовании ФМ-2 неоднозначность фазы опорного колебания (0 или π) приводит к явлению «обратной работы», заключающейся в том, что передаваемые единичные биты принимаются нулевыми, а нулевые – наоборот единичными.

 

Рисунок 11.9 - Схема включений относительного кодера: а) внутреннего; б) внешнего

 

При большем числе позиций фазы возможна не только инверсия, но и перестановка двоичных символов. Решение этой проблемы заключается в использовании помехоустойчивых кодов, «прозрачных», т.е. нечувствительных к неопределенности фазы опорного колебания.