Материал: 5856
136
ние BER, что и в жестком режиме, но требуемая мощность сигнала примерно на 2 дБ меньше [2]. Декодирование при этом становится еще сложнее.
Дальнейшее увеличение числа интервалов N (переход к абсолютно мягкой процедуре работы демодулятора) также повышает помехоустойчивость СПИ, но выигрыш уже незначителен. Эта предельная ситуация носит название приема в целом.
Мягкий режим работы демодулятора и декодеров нередко применяют в условиях комбинирования кодов. Весьма характерным является использова-
ние турбо-кодов.
Они основаны на нескольких принципах.
1)Использование нескольких кодирующих (соответственно, декодирующих устройств). В первом из предложенных турбо-кодов (1993 год) применялись два систематических сверточных кода со степенью кодирования 1/2. В линию передачи подавались информационные символы и обе проверочные последовательности.
2)На вход первого кодера последовательность информационных символов подается непосредственно, а на вход второго – после перемежения.
3)Демодулятор приемника работает в мягком режиме.
4)В процессе декодирования производится несколько итераций, на каждой из которых уточняются оценки вероятностей символов. Оценки, полученные одним декодером, передаются другому декодеру в качестве априорных данных.
5)На каждой итерации декодеры принимают мягкие решения, и лишь последняя завершается жестким решением.
По своим свойствам турбо-коды близки к случайным кодам и их энергетическая эффективность высока. Уже у первого кода она оказалась лишь на 0,5 дБ ниже теоретического предела [2].
Вопросы для самоконтроля по главе 5
1.Дайте определения когерентной и некогерентной СПИ.
2.Сформулируйте задачу, решаемую демодулятором сигнала в цифровой СПИ.
3.Опишите преобразования принимаемых импульсов при демодуляции двоичного сигнала, не искаженного в канале передачи.
4.Приведите схему оптимального демодулятора двоичных сигналов в когерентной СПИ.
5.Приведите схему оптимального демодулятора двоичных сигналов в частично-когерентной СПИ при использовании ОФМ.
6.Запишите формулу для определения полной вероятности ошибки на выходе оптимального демодулятора двоичных сигналов в когерентной СПИ.
137
7.Запишите формулу для определения полной вероятности ошибки на выходе оптимального демодулятора двоичных сигналов в частичнокогерентной СПИ при использовании ОФМ.
8.Почему в цифровых СПИ не применяются методы ОФМ с кратностью большей трех?
9.В которой из радиолиний – ‘Земля – ИСЗ’ или ‘ИСЗ – Земля’ – можно обеспечить более высокое качество передачи и почему?
10.Покажите, что при большом отношении сигнал/шум некогерентная СПИ мало уступает когерентной СПИ.
11.Укажите физические явления, приводящие к тому, что передаточные характеристики канала связи становятся случайными.
12.Дайте определение многолучевой линии.
13.При каких условиях становятся существенными искажения сигнала, обусловленные частотно-селективными замираниями?
14.Какой метод является основным для повышения устойчивости связи в каналах с замираниями?
15.Опишите методы комбинирования разнесенных сигналов.
16.Почему применение автоматической регулировки усиления при одиночном приеме сигнала в канале с замираниями не уменьшает вероятности ошибки при его демодуляции?
17.Всегда ли целесообразно применять помехоустойчивое кодирование для уменьшения итоговой битовой вероятности ошибки?
18.При каких условиях можно использовать мягкую процедуру вынесения решения в процессе приема цифровых сигналов?
19.Какой обработке подвергается цифровой сигнал в регенераторе?
20.Перечислите преимущества цифровых СПИ перед аналоговыми. 21.Какова суть порогового эффекта, характерного для цифровых СПИ и
проявляющегося при изменении уровня полезного сигнала по отношению к уровню помех.
138
6 МНОГОКАНАЛЬНАЯ ПЕРЕДАЧА
ИМНОГОСТАНЦИОННЫЙ ДОСТУП
6.1Методы многостанционного доступа
Система передачи информации из одного пункта в другой называется многоканальной (n-канальной), если в ней по одному кабелю осуществляется
одновременная передача n сообщений.
Многостанционным доступом (МД) называется метод, позволяющий n станциям радиосвязи (возможно, разбросанным на большой территории)
совместно использовать ресурсы одного ретранслятора.
В сущности, оба определения совпадают; различие, определяющее область использования каждого из них, заключается лишь в том, какая среда передачи сигналов используется: кабель или эфир. Поэтому нет ничего уди-
вительного в том, что возможные методы реализации обеих технологий одинаковы.
На рис. 6.1 изображена упрощенная (содержащая лишь принципиально необходимые элементы) схема передающей и приемной частей многоканальной СПИ, предназначенной для передачи в одном направлении, где обозначено: И1, …, Иn – источники информации (сообщений); ГП – генераторы поднесущих; М1, …, Мn – канальные модуляторы; УУК – устройство уплотнения каналов; УРК – устройство разделения каналов; Д1, …, Дn – канальные демодуляторы; П1, …, Пn – получатели сообщений.
И1 |
|
|
М1 |
|
|
s1(t) |
|
|
|
|
Д1 |
|
П1 |
||
|
|
|
|
|
|
|
s(t) |
|
|
|
|||||
|
|
. |
|
.. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
. |
|
|
|
sn(t) |
УУК |
|
УРК |
|
. |
|
. |
||||
Иn |
|
|
|
|
Мn |
|
|
|
|
|
Дn |
|
Пn |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
... |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
ГП |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 6.1. Упрощенная схема многоканальной СПИ
Генератор поднесущих выдает n периодических сигналов (гармонических, последовательностей импульсов и т.п.), имеющих разную форму в разных каналах. Вид поднесущих и, следовательно, возможные способы их модуляции определяются методом уплотнения каналов. Модулированные поднесущие s1(t), …, sn(t) называются канальными сигналами. Операция уплотнения каналов – это обычное суммирование канальных сигналов
n |
|
|
s(t) s j |
(t) . |
(6.1) |
j 1 |
|
|
|
|
В результате этого получается групповой сигнал s(t) .
139
Для разделения каналов, как правило, применяются также линейные устройства. Считают, что в приемнике происходит разделение канальных сигналов без возникновения междуканальных помех, если выполняется следующее условие: при любых значениях сообщений, передаваемых в каналах, напряжение на j-м выходе линейного устройства разделения каналов равно нулю тогда и только тогда, когда s j (t) =0.
Известно, что для выполнения этого условия необходимо и достаточно,
чтобы система n функций, описывающих канальные сигналы, была линейно независимой при любых значениях передаваемых сообщений. Формально это условие проверяется так: система линейно независима, если не равен нулю
определитель матрицы Грама (1.47) |
|
det Γ 0 , |
(6.2) |
Если выполняется лишь это условие, |
устройство разделения каналов |
может оказаться достаточно сложным. Поэтому обычно выдвигают еще одно, дополнительное требование: канальные сигналы должны быть к тому же попарно ортогональны
|
|
|
E |
|
, j k, |
|
|
|
|
j |
|
||
jk |
s j (t)sk |
(t)dt |
j k, |
(6.3) |
||
|
|
|
0, |
|
где E j – энергия j-го канального сигнала. При этом матрица Грама становит-
ся диагональной.
Приведем примеры типичных СПИ, использующих ортогональные канальные сигналы.
1) Канальные сигналы не перекрываются во времени (рис. 6.2). Условие ортогональности (6.3) здесь, несомненно, выполняется, так как при любом t подынтегральное выражение равно нулю при j k . Это метод временного разделения каналов (ВРК). Используются также термины: временное мультиплексирование, многостанционный доступ с временным разделением каналов
(МДВР), Time Division Multiple Access (TDMA).
s(t) |
s1(t) |
s2(t) |
sn(t) |
….
t
Рис. 6.2 Канальные сигналы, не перекрывающиеся во времени
Фактически линия связи поочередно подключается на короткое время к каждому из источников. Поэтому принципиальными элементами такой СПИ являются мультиплексор (устройство уплотнения каналов) и демультиплексор (устройство разделения каналов), всегда работающие синхронно (рис.
140
6.3). Поэтому неотъемлемой составной частью любой СПИ с ВРК является система синхронизации приемного устройства.
Вх. |
Линия |
|
Вых. |
||||
передачи |
|
||||||
О |
MUX |
DMUX |
О |
||||
|
|||||||
О |
|
|
|
О |
|||
О |
|
|
|
О |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
Номер слота Селектор
синхросигналов
Рис. 6.3. Принципиальные элементы СПИ с ВРК
Важно отметить, что длительность канального интервала (слота) мала (в противном случае у пользователей исчезнет эффект “одновременности” передачи), поэтому за время одного подключения к линии удается передать лишь малую часть сообщения: один бит, один байт, один отсчет либо пакет, то есть небольшую группу подобных элементов. Чтобы успеть опросить все источники и неоднократно повторять этот процесс, все перечисленные элементы сигналов источников должны быть сжаты во времени по крайней мере
вn раз.
2)Спектры канальных сигналов не перекрываются на оси частот. Спектр группового сигнала (сумма спектров канальных сигналов) показан на рис. 6.4. Условие ортогональности (6.3) здесь выполняется для спектров, следовательно, и для функций времени. Это метод частотного разделения каналов (ЧРК). Используются также термины: частотное мультиплексирование, многостанционный доступ с частотным разделением каналов (МДЧР), Frequency Division Multiple Access (FDMA).
s(f) |
s1(f) |
s2(f) |
|
sn(f) |
|
|
|
…. |
f |
|
|
|
|
Рис. 6.4. Спектры канальных сигналов, не перекрывающиеся на оси частот
Каждой паре “источник-получатель” выделена своя полоса частот. Поэтому принципиальными элементами такой СПИ являются блок n генераторов гармонических колебаний разных частот-поднесущих в передатчике и
набор полосовых фильтров для разделения канальных сигналов в приемнике.
Поскольку невозможно построить канальные полосовые фильтры с идеальной прямоугольной частотной характеристикой, между полосами, занятыми канальными сигналами, всегда предусматривают пустые защитные частот-
ные интервалы.
3) Все канальные сигналы передаются одновременно (перекрываются