2020-10-12
779
Обобщённая модель цифровой системы передачи (ЦСП) информации включает три фундаментальных процесса: кодирование – декодирование (на передающей и приёмной сторонах соответственно) источника, кодирование – декодирование канала и модуляцию – демодуляцию.
Структурная схема модели ЦСП, приведённая на рисунке 1.1, очень слабо зависит от типа передаваемой информации. Последний определяет конкретные параметры и характеристики системы. Правда, это замечание относится к ЦСП, в которых передаётся только один вид информации, например, аудио или видео. Все современные ЦСП являются многоканальными и предназначены для одновременной передачи многих видов информации. Поэтому схема на рисунке 1.1 является обобщающей [1 – 5, 12].
На передающей стороне все виды обработки сообщений в блоках 2 – 6 служат цели преобразования их в такие сигналы, которые наиболее подходят для передачи по каналу конкретного типа – по открытому пространству (радио- или атмосферному оптическому каналу), либо по направляющей среде (кабелю металлическому или световодному, т. е. волоконно-оптическому). В источнике сообщений 1 информация представляется в виде сообщения, которое в блоке 3 преобразуется в электрический сигнал, называемый часто первичным. При передаче речи, музыки (т. е. аудиоинформации) таким преобразователем выступает микрофон. При передаче изображений – ТВ передающая камера. В обоих случаях первичные сигналы являются аналоговыми.
При передаче звуковых сообщений одномерная функция звукового давления D (t) преобразуется в одномерный электрический сигнал U (t)1). При передаче изображений источником сообщений являются объекты, оптическое изображение которых нужно ещё построить. Эту задачу выполняет оптическая система 2, которая на светочувствительной поверхности передающей трубки 3 (в общем случае выполняющей роль оптико-электронного преобразователя – ОЭП) строит плоское оптическое изображение L ОИ(x, y, t). В цветном телевидении отражённый от объекта световой поток сначала расщепляется светоделительной оптикой на три цветоделённых потока L ОИ. R (x, y, t), L ОИ. G (x, y, t), L ОИ. B (x, y, t), которые и поступают на три передающие трубки.
Таким образом, оптическое изображение является многомерной пространственно-временной функцией (ПВФ), которая в ТВ камере преобразуется в одномерный ТВ сигнал: сначала оптическое изображение преобразуется
1) Далее функция времени U (t) будет записываться без аргумента t для упрощения записи и только там, где это принципиально – U (t).
в электронное (рельеф зарядов, фотопроводимостей или потенциальных ям в зависимости от типа ОЭП: электровакуумные передающие трубки, ПЗС- или КМОП – матрицы – CCD, CMOS), а затем с помощью электронной развёртки ПВФ преобразуется в сугубо временную и формируется видеосигнал U (t). В этом и состоит принципиальное различие между процессами преобразования в электрический сигнал изображений и любой другой информацией [3, 5, 9].
|
|
Рисунок 1.1 – Обобщённая структурная схема цифровой системы передачи ТВ изображений
На приёмной стороне в блоках 8 – 11 производятся обратные операции для восстановления информации в исходном виде с минимально возможными искажениями. Принятый сигнал Ū (t) на входе электронно-оптического преобразователя – ЭОП 11 всегда будет отличаться от переданного. Объясняется это неизбежными искажениями информации ввиду неидеальности процессов её прямого и обратного преобразования, отличием характеристик тракта от идеальных, а также действием внутренних и внешних помех. В каждом конкретном случае в зависимости от вида передаваемой информации нормируются допустимые искажения сигнала или вероятность ошибок. Случайный характер сообщений, сигналов, а также помех обусловил важнейшее значение теории вероятностей в теории связи и вещания. Вероятностные свойства сигналов и сообщений, а также среды, в которой передается сигнал, позволяют определять количество передаваемой информации и ее потери.
Описанием сигнала может быть некоторая математическая функция времени x (t), отображающая реальный физический процесс: напряжение, ток, напряженность поля или другая характеристика. Однако, исчерпывающее описание сигнала не всегда требуется. Для решения ряда задач достаточно более общего описания в виде нескольких параметров, характеризующих основные свойства сигнала, подобно тому, как это делается в системах транспортирования. Так, с точки зрения перевозки важно указать габаритные размеры и массу предметов (грузов), другие их свойства (например, цвет) являются несущественными.
Сигнал также является объектом транспортирования (передачи), а техника телекоммуникаций и вещания – по существу техникой транспортирования (передачи) сигналов по каналам связи и вещания (каналам передачи). В учебнике по теории электрической связи [50] к параметрам сигнала, которые являются основными с точки зрения его передачи, отнесены: длительность сигнала Т С, его динамический диапазон D С и ширина спектра F С. Кроме того, введена более общая и наглядная характеристика – объём V С передаваемого сигнала:
, (1.1)
где D С – динамический диапазон – отношение максимальной мощности сигнала к наименьшей мощности, при которых обеспечивается требуемое качество передачи (в ЦСП – допустимая вероятность ошибок).
Динамический диапазон выражается обычно в децибелах. D С речи диктора, например, равен 25 – 30 дБ, небольшого вокального ансамбля
45 – 65 дБ, симфонического оркестра 70 – 95 дБ. Во избежание перегрузок канала в радиовещании D С часто сокращают до 45 – 50 дБ. При передаче ТВ изображений D С изменяется в широких пределах – от 30 до 60 дБ.
Наконец, ширина спектра сигнала F С даёт представление о скорости изменения сигнала внутри интервала его существования. В технике связи спектр сигнала сознательно сокращают. Это обусловлено тем, что аппаратура и линии связи имеют ограниченную полосу пропускаемых частот, а также необходимостью передачи в смежных полосах частот других сигналов. Сокращение спектра осуществляется исходя из допустимых искажений сигнала. Например, в телефонии требуется, чтобы речь была разборчивой и корреспонденты могли узнать друг друга по голосу. Для этого достаточно передать речевой сигнал в полосе от 0,3 до 3,4 кГц. Аналогично необходимая ширина спектра ТВ сигнала определяется требуемой чёткостью изображения и для принятого у нас стандарта D/K (625 строк, 50 Гц – частота полей) равна 6 МГц [6].
Поскольку первичные сигналы при передаче аудио- и видеоинформации являются аналоговыми, то кодирование источника предусматривает, во-первых, аналогово-цифровое преобразование (АЦП) и, во-вторых, собственно сжатие данных (уменьшение избыточности или компрессию), позволяющее существенно сократить скорость цифрового потока.
Задача кодера источника 4 состоит в том, чтобы с учетом статистических (вероятностных) и структурных свойств ТВ изображений и сигналов, а также психофизиологических характеристик получателя сообщений – зрительной системы человека, – наиболее компактно представить объем первичного сигнала.
Цель кодера – выражение цифрового сигнала минимальным количеством двоичных символов в единицу времени с тем, чтобы сузить полосу пропускания канала (либо в заданной полосе передать большее количество информации), сократить время передачи или уменьшить среднюю мощность сигнала в канале.
Скорость цифрового потока B ИНФ на выходе АЦП пропорциональна частоте дискретизации f Д и разрядности двоичного кодирования m
, бит/с, (1.2)
где N – количество уровней квантования, N = 2 m.
Скорость B ИНФ называют также информационной скоростью передачи, поскольку она характеризует количество информации. Современные методы устранения пространственно-временной (статистической), структурной и психофизиологической избыточности, присущей ТВ изображениям, позволяют скорость B ИНФ уменьшить в k СЖраз без заметного снижения качества воспроизводимого изображения: B ИНФ.СЖ = B ИНФ / k СЖ (сжатие в десятки, а иногда и в сотни раз).
Кодирование канала (в блоке 5) применяется для исправления ошибок, возникающих при приёме цифрового сигнала из-за действий различных помех и искажений. В общем случае кодирование канала может быть реализовано путём перезапросов (повторов) искажённых пакетов информации или путём коррекции ошибок при использовании специальных корректирующих кодов. В трактах вещания применяется только прямое исправление ошибок – FEC (Forward Error Correction). В любом случае кодирование канала увеличивает объём передаваемых данных – общую скорость цифрового потока B КК (при этом информационная её часть остаётся неизмененной):
, бит/с, (1.3)
где R К – относительная скорость канального (помехоустойчивого) кодирования, R К < 1.
Под R К понимают отношение количества бит на входе кодера к количеству бит на его выходе. Например, при R К = 1/2на каждый информационный бит приходится один проверочный. Исправляющая способность такого кодирования максимальна, но скорость цифрового потока при этом увеличивается в два раза. Обычно в системах ЦТВ используется каскадное кодирование, содержащее две ступени: первая называется внешней (по отношению к каналу), а вторая – внутренней. В системах ЦТВ DVBпервого поколения применяется кодирование Рида – Соломона (R PC) и сверточное (R СВ), тогда относительная скорость канального кодирования в (1.3) определяется произведением R К = R PC R СВ.
Модуляция используется для преобразования сигналов, представленных со скоростью B КК, в радиосигналы (модулированные колебания) заданной полосы частот, что обеспечивает их передачу по конкретному физическому каналу. Дополнительным свойством сложных (многопозиционных) видов модуляции является более плотная упаковка данных в частотной области, когда на единицу полосы пропускания приходится больше передаваемой информации.
В результате модуляции высокочастотное несущее колебание дискретно изменяется по фазе или по амплитуде и фазе одновременно, принимая M их значений. При этом длительность символа модулированного сигнала в log2 M раз больше, чем у двоичного сигнала на входе, а символьная скорость во столько же раз меньше битовой на входе модулятора.
С другой стороны, символьная скорость связана с полосой частот канала F К соотношением
, симв/с, (1.4)
где b Р – коэффициент расширения полосы.
При использовании одночастотных методов передачи (одна несущая на канал с одним из видов многопозиционной модуляции – QPSK, QAM, PSK, APSK или др.) численное значение коэффициента расширения выбирается в пределах 1,1 – 1,4.
При использовании многочастотного метода передачи с COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing – ортогональное частотное разделение каналов с кодированием) b Р = 1,185 (при DVB-T с полосой радиоканала 8 МГц). Суть этого метода более полно отражает расширенный перевод– ортогональное частотное мультиплексирование (большого числа модулированных несущих) с кодированием. Необходимость в COFDM будет пояснена ниже.
Обычно ширина полосы канала F К задана, поэтому её не расширяют, но символьную скорость уменьшают в b Р раз. Тогда можно записать
, симв/с, (1.5)
и, учитывая выражения (1.3)…(1.5), получить выражение для определения максимально допустимой скорости цифрового потока на выходе кодера источника, которую можно «вписать» в канал с шириной полосы F К
, бит/с. (1.6)
От выбора методов выполнения рассмотренных трёх фундаментальных процессов и их параметров зависит эффективность ЦСП, т. е. степень использования пропускной способности канала, которая определяется известной теоремой Шеннона.
Формула (1.7), представленная ниже, имеет исключительно важное значение в теории передачи информации и цифровой связи. Она устанавливает взаимосвязь максимальной скорости передачи информации C K в полосе канала F K с отношением средних мощностей сигнала и шума P C/ P Ш:
, бит/с. (1.7)
Выражение (1.7) определяет пропускную способность частотно-ограниченного непрерывного канала с аддитивным белым гауссовым шумом (АБГШ) при ограничении средней мощности передаваемого сигнала значением P С. Как следует из выражения (1.7), пропускная способность в канале с шумом имеет конечное значение только при ограничении мощности передатчика. В канале без шума или канале с шумами, но без ограничения мощности передатчика, отношение сигнал/шум и соответственно пропускная способность стремятся к бесконечности.
При проектировании и анализе ЦСП наибольший интерес представляет пропускная способность, отнесённая к единице полосы частот
, бит/(с·Гц). (1.8)
Формула (1.8) определяет максимальную удельную скорость передачи и применяется для оценки спектральной эффективности ЦСП (таблица 1.1).
Таблица 1.1 – Результаты расчёта удельной скорости передачи
 , дБ
| –10 | –5 | 0 | 5 | 10 | 15 | 20 | 25 | 30 |
 , бит/(с·Гц)
| 0,14 | 0,4 | 1 | 2 | 3,47 | 5,04 | 6,68 | 8,33 | 10 |
По данным таблицы 1.1 построен график (рисунок 1.2) зависимости удельной скорости с АБГШ от отношения сигнал/шум. Причём вид
модуляции выбирается таким, чтобы обеспечить передачу n = 2 F К T К символов в полосе F К за время T К. Фактически он определяет идеальную верхнюю границу, к которой стремятся приблизиться, оптимизируя те или иные параметры ЦСП.
Рисунок 1.2 – Зависимость удельной скорости от отношения P C / P Ш
По аналогии с объёмом сигнала V С (1.1) вводят понятие объёма (ёмкости) канала V К
. (1.9)
Очевидно, что канал не искажает сигнал, если выполняется условие
. (1.10)
В простейшем случае сигнал согласуют с каналом по всем трём параметрам, т. е. добиваются выполнения условий
. (1.11)
Тогда объём сигнала полностью «вписывается» в объём канала. Однако неравенство (1.10) может выполняться и тогда, когда одно или два из неравенств (1.11) не выполнены. Это означает, что можно производить обмен длительности T С на ширину спектра F С или ширины спектра F С на динамический диапазон D С и т. д.
Например, записанный в течение T С.ЗАП сигнал с шириной спектра
F С = 3,1 кГц можно передать по каналу, полоса пропускания которого не 4кГц, а только F К = 400 Гц (не нарушая условия V С < V К). Для этого воспроизводить и передавать сигнал необходимо за время примерно в 10 раз большее того, за которое он был записан (т. е. T ВОСПР = 10 T С.ЗАП = T К). При этом все частоты исходного сигнала уменьшаются в 10 раз – происходит обменная операция полосы на время передачи. На приёмной стороне сигнал сначала записывается в память и после воспроизведения со скоростью, в 10 раз большей, восстанавливается исходный сигнал с параметрами F С и T С.
Преобразуем выражение (1.6) и по аналогии с (1.8) запишем выражение для удельной скорости цифрового потока
, (1.12)
и приравняем правые части (1.8) и (1.12):
. (1.13)
Анализ выражения (1.13) показывает, что в канале с фиксированной полосой частот F K повысить пропускную способность можно только увеличением числа значащих позиций сигнала M. Но такой сигнал более чувствителен к искажениям вследствие неидеальности характеристик канала и менее помехозащищён. Поэтому потребуется либо увеличение отношения несущая/шум – P C /P Ш, что не всегда возможно, либо применение более мощных кодов, исправляющих ошибки, что также имеет свои ограничения, т. к. возникает необходимость уменьшения информационной ёмкости сигнала,см.(1.6).
Системы ЦТВ второго поколения DVB-T2, S2 и C2 являются лучшим подтверждением сформулированных выводов. В них применяются: 1) методы помехоустойчивого кодирования с большей исправляющей способностью, что обеспечивает требуемую вероятность ошибок при меньшем отношении P C /P Ш; 2) виды цифровой модуляции с большей спектральной эффективностью. Так, например, в системе кабельного телевидения (КЦТВ) второго поколения DVB–C2, учитывая меньшую подверженность линий связи (коаксиальных и особенно волоконно-оптических) действию внешних помех, число позиций М квадратурной амплитудной модуляции увеличено до 4096 (рисунок 1.3). При этом уровень сигнала в линии должен быть таким же, как и уровень несущей изображения p Н.И. в аналоговой системе, но скорость передаваемого цифрового потока может составлять 81 Мбит/с [51]. В этой же работе приводятся результаты расчета с 65536-QAM, при которой уровень сигнала необходимо увеличить на 12 дБ, но ничего не сообщается о том, как при этом обеспечиваются требования по нелинейным искажениям.
Рисунок 1.3 – Сравнение уровней сигналов в системах КЦТВ при разных значениях M при QAM-модуляции с уровнем несущей изображения в аналоговой системе
В современных системах ЦТВ с помощью самых передовых методов обработки и передачи сигналов (сжатие информации, каскадное помехоустойчивое кодирование, полосносберегающая модуляция и др.) достигается хорошее приближение к границе Шеннона (разница составляет менее 1 дБ).
