- •Содержание
- •Введение
- •Глоссарий Термины и определения
- •Сокращения
- •Дисциплина «Технология цифровой связи»
- •1 Рабочая программа (силлабус) дисциплины
- •1.1 Сведения о преподавателе
- •1.2 Данные о дисциплине
- •1.3 Пререквизиты
- •1.4 Постреквизиты
- •1.5 Краткое описание курса
- •1.6 Содержание дисциплины
- •1.7 График выполнения и сдачи заданий срс
- •1.8 Список литературы
- •1.9 Оборудование
- •1.10 Политика курса
- •1.11 Информация по оценке знаний
- •1.12 Политика выставления оценок
- •2 Конспект лекционных занятий Рубежный контроль 1
- •Раздел 1. Элементы систем цифровой связи.
- •Лекция №1. Информация. Характеристики дискретных сообщений. Цифровые сигналы данных и их основные параметры. Структурная схема пдс.
- •Тезисы к лекции
- •Тезисы к лекции
- •Лекция №3.Дк каналы без памяти, с памятью. Краевые искажения и дробления. Методы регистрации сигналов.
- •Тезисы к лекции
- •Раздел 3. Сжатие данных в цсс. Лекция №4.Применение эффективного (статистического) кодирования для сжатия данных. Алгоритмы сжатия без потерь: Хаффмана. Арифметический код.
- •Тезисы к лекции
- •Раздел 4. Методы и устройства помехоустойчивого кодирования. Лекция №5.Основные принципы обнаружения и исправления ошибки. Кодовое расстояние и корректирующая способность кода. Коды Хемминга.
- •Тезисы к лекции
- •Лекция №6.Классификация корректирующих кодов. Линейные блоковые коды. Методы декодирования корректирующих кодов. Порождающая и проверочная матрица.
- •Тезисы к лекции
- •Лекция №7.Циклические коды. Декодирование циклических кодов.
- •Тезисы к лекции
- •Лекция №8.Свёрточные коды. Декодирование свёрточных кодов. Алгоритм декодирования Витерби.
- •Тезисы к лекции
- •Рубежный контроль 2
- •Тезисы к лекции
- •Раздел 6. Полосовая модуляция и демодуляция Лекция №10.Методы цифровой модуляции.
- •Тезисы к лекции
- •Лекция №11.Многопозиционная модуляция: пФм, квадратурная амплитудная модуляция (кам) и амплитудно - фазовая модуляция (афм).
- •Тезисы к лекции
- •Раздел 6. Методы синхронизации в цсс Лекция №12.Определение понятий: синхронизация поэлементная, групповая и цикловая синхронизация.
- •Тезисы к лекции
- •Лекция №13.Устройства и принципы работы поэлементной синхронизации. Расчет параметров поэлементной синхронизации.
- •Тезисы к лекции
- •Раздел 8. Архитектура связи Лекция №15.Архитектура связи. Методы коммутации. Службы связи. Модель вос. Типы компьютерных сетей.
- •3 Практические занятия
- •4 Лабораторные занятия Лабораторная работа №1«Спектральный анализ с помощью Multisim и LabView»
- •Лабораторная работа №2«Эффективное кодирование информации по алгоритму Хаффмана»
- •Лабораторная работа №3«Линейные корректирующие коды. Код Хэмминга»
- •Лабораторная работа №4«Построение кодирующих и декодирующих устройств циклических кодов»
- •Лабораторная работа №5«Исследование сверточных кодов»
- •Лабораторная работа №6«Изучение принципов перекодирования при согласовании спектра»
- •Лабораторная работа №8«Исследование квадратурной амплитудной и квадратурной фазовой модуляций с помощью LabView»
- •Лабораторная работа №9«Исследование факторов, влияющих на ширину канала, с помощью LabView»
- •Лабораторная работа №10«Изучение устройства поэлементной синхронизации системы передачи данных»
- •Лабораторная работа №11«Методы коммутации в сетях пдс»
- •5 Занятия в рамках самостоятельной работы студента с преподавателем
- •Занятие №1 – 2. «Вводный контроль»
- •Занятие №3 – 4. «Классификация сигналов. Каналы связи»
- •Занятие №5 – 6. «Сигналы и спектры. Дискретные каналы»
- •Занятие №7 – 8. «Кодирование речи»
- •Занятие №9 – 10. «Кодирование источника»
- •Занятие №11 – 12. «Стандарты мкктт для кодирования источника»
- •Занятие №13 – 14. «Канальное кодирование. Циклический код»
- •Занятие №15 – 16. «Канальное кодирование. Линейные блочные коды»
- •Занятие №17 – 18. «Канальное кодирование. Сверточный код»
- •Занятие №19 – 20. «Канальное кодирование. Коды Рида-Соломона, коды с чередованием»
- •Занятие №21 – 22. «Алгоритмы цифрового кодирования. Полосовая модуляция и демодуляция»
- •Занятие №23 – 24. «Согласование спектра. Перекодирование. Модуляция с эффективным использованием полосы частот»
- •Занятие №25 – 26. «Синхронизация. Адаптивные системы»
- •Занятие №27 – 28. «Поэлементная синхронизация. Системы с рос»
- •Занятие №29 – 30. «Методы комммутации. Телеграфные службы. Модель вос. Типы компьютерных сетей»
- •6 Курсовая работа
- •7 Рубежные и итоговый контроли
Рубежный контроль 2
Раздел 5. Узкополосная передача
Лекция №9.Теорема Найквиста. Минимальная ширина пропускания по Найквисту. Согласование спектра. Устройство преобразования сигнала. Перекодирование. Алгоритмы цифрового кодирования: алфавитные коды, простейшие коды линейного сигнала (фазовое кодирование, манчестерское кодирование).
Основная литература:
Скляр Б. Цифровая связь. М., Санкт-П, Киев: Изд. дом «Вильямс», 2003.
Цифровая телефония: Беллами Дж., Пер. с англ./ Под ред. А.Н.Берлина, Ю.Н.Ченышева.- М.:Эко-Трендз, 2004. – 640с.: илл.
Дополнительная литература:
Передача дискретной информации: Учебник для ВУЗов / Г. А. Емельянов, В. О. Шварцман - М.: Радио и связь, 1982-240 с.
Прокис Дж. Цифровая связь. - М.: Радио и связь, 2000.
Мирманов А.Б. Курс лекций по дисциплине «Технология цифровой связи» - Астана: КазАТУ, 2009. (электронный)
Ключевые слова: Теорема Найквиста, минимальная ширина пропускания, согласование спектра, межсимвольная интерференция, фильтр Найквиста, перекодирование, алфавитные коды, фазовое кодирование, манчестерское кодирование.
Рассматриваемые вопросы:
Понятие «отношение сигнал/шум»
Определение согласованного фильтра
Импульсы Найквиста
Определение ширины полосы системы
Межсимвольная интерференция
Фильтр Найквиста
Устройства преобразования сигнала
Перекодирование
Биполярный код
Код с чередованием полярности
Манчестерский код
Потенциальный код 2B1Q
Применение логического кодирования для улучшения свойств потенциальных кодов.
Тезисы к лекции
Узкополосная передача. Отношение сигнал/шум
Основной критерием качества систем связи это - отношение средней мощности сигнала к средней мощности шума (S/N или SNR). В цифровой связи в качестве критерия качества используется нормированная версия SNR, .
—это энергия бита, и ее можно описать как мощность сигнала S, умноженную на время передачи бита . —это спектральная плотность мощности шума, и ее можно выразить как мощность шума N, деленную на ширину полосы W. Поскольку время передачи бита и скорость передачи битов взаимно обратим, можно заменить на
или (9.1)
Одной из важнейших метрик качества в системах цифровой связи является график зависимости вероятности появления ошибочного бита от , т.е. позволяющий сравнивать качество различных систем; чем меньше требуемое отношение , тем эффективнее процесс детектирования при данной вероятности ошибки. Безразмерное отношение — это стандартная качественная мера производительности систем цифровой связи.
.
Согласованный фильтр
Согласованный фильтр (matched filter) — это линейное устройство, спроектированное, чтобы давать на выходе максимально возможное для данного передаваемого сигнала отношение сигнал/шум.
Обычные фильтры отсекают нежелательные спектральные компоненты принятого сигнала при поддержании некоторой точности воспроизведения сигналов в выбранной области спектра, называемой полосой пропускания (pass-band).
В обычных фильтрах используются случайные сигналы, и результат фильтрации определяется только полосами сигналов, тогда как согласованные фильтры предназначены для известных сигналов, имеющими случайные параметры (такие, как амплитуда и время).
В цифровой связи приемник обрабатывает поступающие сигналы с помощью фильтров обоих типов. Задачей обычного фильтра является изоляция и извлечение высокоточной аппроксимации сигнала с последующей передачей результата согласованному фильтру. Согласованный фильтр накапливает энергию принятого сигнала, и в момент взятия выборки (t = T) на выход фильтра подается напряжение, пропорциональное этой энергии, после чего следует детектирование и дальнейшая обработка сигнала.
Импульсы Найквиста
Импульсный отклик фильтра с характеристикой типа приподнятого косинуса, называется импульсом Найквиста.
Рисунок 9.1. Импульс Найквиста
Минимальная теоретическая ширина полосы системы, требуемая для детектирования Rs символов/секунду, равна Rs / 2 Гц. Это возможно, если передаточная функция системы H(f) имеет прямоугольную форму. Для низкочастотных систем с такой H(f), что односторонняя ширина полосы фильтра равна ½T (идеальный фильтр Найквиста), импульсная характеристика функции H(f), вычисляемая с помощью обратного преобразования Фурье, имеет вид h(t)=Sin c(t/T). Импульс, описываемый функцией Sin c(t/T), называется идеальным импульсом Найквиста; он имеет бесконечную длительность и состоит из многочисленных лепестков: главного и боковых, именуемых хвостами.
Найквист установил, что если каждый импульс принятой последовательности имеет вид Sin c(t/T), импульсы могут детектироваться без межсимвольной интерференции. Межсимвольная интерференция (МСИ или ISI) - паразитный эффект, связанный с «перекрытием» по длительности соседних символов сигнала в канале с многолучевым распространением радиоволн.
Рисунок 9.2. Каналы Найквиста для нулевой межсимвольной интерференции: прямоугольная передаточная функция системы и принятый импульс
Чтобы низкочастотная система могла детектировать 1/T импульсов (символов) в секунду, ширина ее полосы должна быть равна 1/2T; другими словами, система с шириной полосы W=1/2T=Rs/2 Гц может поддерживать максимальную скорость передачи 2W=1/T=Rs символов/с (ограничение полосы по Найквисту) без ISI. Следовательно, при идеальной фильтрации Найквиста (и нулевой межсимвольной интерференции) максимальная возможная скорость передачи символов на герц полосы, называемая уплотнением скорости передачи символов (symbol-rate packing), равна 2 символа/с/Гц.
Фильтр Найквиста — это фильтр, передаточная функция которого может быть представлена прямоугольной функцией, свернутой с любой четно-симметричной частотной функцией.
Импульс Найквиста — это импульс, форма которого может быть описана функцией Sin c(t/T), умноженной на другую временную функцию.
Основным параметром систем связи является эффективность использования полосы, R/W, измеряемая в бит/с/Гц, она представляет меру скорости переноса данных на единицу ширины полосы, а значит, показывает, насколько эффективно любой метод передачи сигналов использует ресурс полосы.
Устройства преобразования сигнала
УПС - обеспечивают согласование параметров сигналов источника с параметрами канала связи.
Согласование может производиться по:
– полосе частот;
– уровню;
– скорости.
Согласование спектра может производиться двумя путями:
– пперекодированием;
– c использованием несущей (модуляции).
Известно, что спектр последовательности прямоугольных импульсов имеет вид (sinx)/x с максимумом на нулевой частоте. Основная энергия сигналов в этом случае сосредоточена в полосе частот [0÷1/]. Канал связи, из-за наличия развязывающих трансформаторов, не пропускает постоянную составляющую. Из-за этого однополярные сигналы будут испытывать значительные искажение.
Перекодирование
При перекодировании исходные сигналы заменяются сигналами другой структуры спектральные характеристики, которых лучше согласуются с параметрами заданного канала связи.
Помимо основной задачи – согласования спектров при перекодировании стараются подобрать такой код, который обеспечивал бы:
наименьшую ширину спектра при одинаковой скорости передачи;
синхронизацию между передатчиком и приёмником;
низкую стоимость реализации;
возможность обнаруживать ошибки.
Рисунок 9.3. Простейшие коды перекодирования
Простейшим решением является биполярный код (None return zero NRZ).
Преимущество: малая полоса пропускания; простая реализация; нет избыточности.
Недостатки: потеря синхронизации при длинных сериях элементов одного знака.
Обычно при перекодировании в сигнал вводится избыточность.
Различают два способа введения избыточности.
1. Увеличение в процессе перекодирования основания кода (увеличение числа значащих позиций было две значащих позиции, а стало 3).
Например, код с чередованием полярности (КЧП он же AMI): 0 заменяется на 0, а 1 на ± 1 - чередуется
Достоинства: данный код позволяет избавиться от постоянной составляющей; Так как чередование обязательно, то такой код может обнаружить ошибку.
Недостатки: избыточность кода 0,37; основной недостаток – потеря тактовой частоты при передаче длинной серии нулей.
2. При втором подходе каждый элемент на единичном интервале заменяется двумя разнополярными импульсами – манчестерский код.
1 01
0 10
Достоинства: сигнал изменяется, по крайней мере, один раз на единичном интервале, т.е. обладает хорошими самосинхронизирующими свойствами; у него отсутствует постоянная составляющая; если перепада на единичном интервале нет, то ошибка
Недостатки: избыточность кода 0,5 (больше чем у КЧП).
Потенциальный код 2B1Q.
В сетях ISDN и системах xDSL широкое применение находит код 2B1Q.
Рисунок 9.4. Потенциальный код 2B1Q
Для передачи используется 4 значащих позиции, при этом один импульс несёт 2 бита информации. Для данного кода скорость передачи информации в два раза выше скорости модуляции R=2B.
Достоинства: при заданной скорости R требуется меньшая полоса частот канала.
Недостатки: для четкого различения 4–х уровней на фоне помех требуется большая мощность передатчика; при передачи одинаковых пар бит сигнал превращается в постоянную составляющую.
Применение логического кодирования для улучшения свойств потенциальных кодов.
Потенциальные коды КЧП, Биполярный Код, 2B1Q-имеют более узкую полосу частот, что является их преимуществом, но страдают появлением постоянной составляющей и потерей синхронизации при передаче длинных серий одинаковых элементов или групп. Для борьбы с этим явлением применяют логическое кодирование (ЛК).
Логическое кодирование – заменяет длинные последовательности элементов, приводящих к постоянному потенциалу другими последовательностями устраняющими данный недостаток.
Для логического кодирования характерны 2 метода:
избыточные коды;
скремблирование.
Избыточные коды основаны на разбиении исходной последовательности на порции (символы) и замене исходной порции, новой имеющей большее количество бит. Так как символы содержат избыточные биты, то общее количество кодовых комбинаций в них больше, чем в исходных.
Код 4В/5В. Каждые четыре элемента исходной последовательности заменяются пятью элементами выходного кода. Выходные элементы выбираются таким образом, чтобы избежать длинных серий “опасных” элементов приводящих к появлению «постоянки» или потере синхронизации. Остальные комбинации выходного кода считаются запрещёнными, что позволяет обнаружить ошибки.
Скремблирование – обратимое преобразование структуры цифрового потока без изменения скорости передачи с целью получения свойств случайной последовательности.
Контрольные вопросы по теме:
Поясните понятие «отношение сигнал/шум
В чем назначение согласованного фильтра
Что такое межсимвольная интерференция
Что называется импульсом Найквиста
Перечислите, по каким параметрам проводится согласование параметров сигналов с характеристиками канала.
Для чего необходимо согласование спектра.
Какими методами проводят согласование спектра сигнала.
Что такое перекодирование.
Перечислите достоинства и недостатки применения биполярного кода.
Перечислите достоинства и недостатки применения кода с чередованием полярностей.
Перечислите достоинства и недостатки применения манчестерского кода.
Какой код называется 2B1Q.
Что такое логическое кодирование и для чего его применяют.
Поясните смысл преобразования 4B/5B и его цель.