Введение. История развития и перспективы цифровых систем передачи

Кафедра «Радиотехника, электроника и телекоммуникация»

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИИ

по дисциплине « Технология цифровой связи »

для студентов специальности: 5В071900 «Радиотехника, электроника и телекоммуникация» очной, заочной и вечерней форм обучения

Количество кредитов – 3

Шымкент-2013 г.

УДК 3.08.345-2006

ББК 779

Составитель: Шамшиметов Ф.Т. ст.преподаватель.

Конспект лекции по дисциплине « Технология цифровой связи » для студентов специальности: 5В071900 «Радиотехника, электроника и телекоммуникация» очной, заочной и вечерней форм обучения.

Шымкент: Университет «Мирас», 2013, 62 стр.

Конспект лекции составлены в соответствии с требованиями учебного плана и программой дисциплины «Надежность телекоммуникационных систем » и включает все необходимые сведения курса.

Конспект лекции выполнены для студентов специальности: 5В071900 «Радиотехника, электроника и телекоммуникация» очной, заочной и вечерней форм обучения.

Рецензент: Ханжаров Н.С. – к.т.н., доцент, Университет Мирас

Рассмотрено и рекомендовано к изданию заседанием кафедры «Радиотехника, электроника и телекоммуникация» протокол №_ 2 _ от «_31_» 08 2013г., методической комиссией факультета протокол №_ 1 _ от «6» 09 2013г.

Рекомендовано к изданию методическим Советом университета «Мирас»

протокол № 2 от «07» 09 2013г.

Конспект лекции является собственностью университета «Мирас»

и предназначена для внутреннего пользования.

УНИВЕРСИТЕТ «МИРАС

Конспект лекционных занятий

Лекция №1. (1 час.)

Введение. История развития и перспективы цифровых систем передачи.

Современные тенденции развития электросвязи. В последующие годы связь развивалась по пути цифровизации всех видов информации. Это стало генеральным направлением, обеспечивающим экономичные методы не только ее передачи, но и распределения, хранения и обработки. Вслед за ИКМ-24 появляются ИКМ-30, ИКМ-120, ИКМ-480, ИКМ-1920, а затем системы передачи синхронной цифровой иерархии (СЦИ).

Интенсивное развитие цифровых систем передачи объясняется существенными достоинствами этих систем по сравнению с аналоговыми системами передачи: высокой помехоустойчивостью; слабой зависимостью качества передачи от длины линии связи; стабильно­стью электрических параметров каналов связи; эффективностью ис­пользования пропускной способности при передаче дискретных сообщений и др.

Из года в год растет в стране телефонная плотность (число телефонов на сто жителей), но пока Казахстан еще существенно отстает по этому показателю от промышленно развитых стран. Так, если в промышленно развитых странах этот показатель составляет 46 и более телефонов на 100 жителей, то в Казахстане в среднем - 21 телефон. Разработана концепция, намечены сроки ликвидации этого отстава­ния, в результате чего к 2005 г. количество телефонов на сто жителей ожидается 36,9, а к 2010 − 47,7.

На смену телеграфной связи пришли такие виды документальной электросвязи, как передача данных, электронная почта, факсимильная связь.

Успешно развивается казахстанский сегмент сети Интернет, объем услуг, в котором составил 220 млн. долл. и увеличился в 2001 г. по срав­нению с 2000 г. на 50 %. Растет количество наименований русскоязычных ресурсов в сети. Число регулярных пользователей в Казахстане оценивается на конец 2001 г. в 4,3 млн. человек, а количество хотя бы раз посетивших всемирную сеть превысило 12 млн. За последние два года казастанская аудитория сети Интернет выросла в 2,9 раза. Число пользователей элек­тронной почтой за этот же период выросло в 3 раза. Однако по-прежнему основное количество пользователей сосредоточено в крупных и сред­них городах. Жители Алматы и Астаны составляют пятую часть казахстанской аудитории.

Одновременно с ростом числа услуг связи будет меняться их качество - от простого телефонного сервиса до услуг мультимедиа, кото­рые будут обеспечиваться интегральными цифровыми сетями связи.

Особенно быстрыми темпами в мире и у нас в стране идет развитие сети мобильной радиосвязи. Человек с сотовым телефоном, не привязанный шнуром к своему месту, превратился в своеобразный символ конца века. Количество людей, пользующихся мобильными телефонами в мире, приближается к 600 млн.

Что ждет нас в конце нынешнего - начале будущего столетия? Большинство специалистов сходятся во мнении, что дальнейшая эволюция телекоммуникационных технологий будет идти в на­правлениях увеличения скорости передачи информации, интеллек­туализации сетей и обеспечения мобильности пользователей.

Высокие скорости. Необходимы для передачи изображений, в том числе телевизионных, интеграции различных видов информации в мультимедийных приложениях, организации связи локальных, город­ских и территориальных сетей.

Интеллектуальность. Позволит увеличить гибкость и надежность сети, сделает более легким управление глобальными сетями. Благо­даря интеллектуализации сетей пользователь перестает быть пас­сивным потребителем услуг, превращаясь в активного клиента - кли­ента, который сможет сам активно управлять сетью, заказывая необ­ходимые ему услуги.

Мобильность. Успехи в области миниатюризации электронных устройств, снижение их стоимости создают предпосылки к глобаль­ному распространению мобильных оконечных устройств. Это делает реальной задачу предоставления услуг связи каждому в любое время и в любом месте.

В заключение отметим, что объем информации, передаваемой че­рез информационно-телекоммуникационную инфраструктуру мира, удваивается каждые 2-3 года. Появляются и успешно развиваются новые отрасли информационной индустрии, существенно возрастает информационная составляющая экономической активности субъектов рынка и влияние информационных технологий на научно-техничес­кий, интеллектуальный потенциал и здоровье наций. Начало XXI века рассматривается как эра информационного общества, требующего для своего эффективного развития создания глобальной информаци­онно-телекоммуникационной инфраструктуры, темпы развития которой должны быть опережающими по отношению к темпам развития экономики в целом. При этом создание российской информационно-телекоммуникационной инфраструктуры следует рассматривать как важнейший фактор подъема национальной экономики, роста деловой и интеллектуальной активности общества, укрепления авторитета страны в международном сообществе.

1.2. Типичная функциональная схема и основные преобразования

Функциональная схема, приведенная на рис. 1.2, иллюстрирует распространение сигна­ла и этапы его обработки в типичной системе цифровой связи (DСS). Этот рисунок является чем-то вроде плана, направляющего читателя по лекциям данной дисциплины. Верхние блоки — форматирование, кодирование источника, шифрование, канальное кодирова­ние, уплотнение, импульсная модуляция, полосовая модуляция, расширение спектра и множественный доступ — отражают преобразования сигнала на пути от источника к пе­редатчику. Нижние блоки диаграммы — преобразования сигнала на пути от приемника к получателю информации, и, по сути, они противоположны верхним блокам. Блоки модуляции и демодуляции/детектирования вместе называются модемом. Термин "модем" часто объединяет несколько этапов обработки сигналов, показанных на рис. 1.2; в этом случае модем можно представлять как "мозг" системы. Передатчик и приемник можно рассматривать как "мускулы" системы. Для беспроводных приложений передатчик со­стоит из схемы повышения частоты в область радиочастот (radio frequency — RF), усили­теля мощности и антенны, а приемник — из антенны и малошумящего усилителя (low-noise amplifier — LNA). Обратное понижение частоты производится на выходе приемни­ка и/или демодулятора.

На рис. 1.2 иллюстрируется соответствие блоков верхней (передающей) и нижней (принимающей) частей системы. Этапы обработки сигнала, имеющие место в пере­датчике, являются преимущественно обратными к этапам приемника. На рис. 1.2 ис­ходная информация преобразуется в двоичные цифры (биты); после этого биты груп­пируются в цифровые сообщения или символы сообщений. Каждый такой символ (m_i, где i= 1,..., М) можно рассматривать как элемент конечного алфавита, содержащего М элементов. Следовательно, для М = 2 символ сообщения т_i является бинарным (т.е. состоит из одного бита). Несмотря на то что бинарные символы можно классифици­ровать как М -арные (с М= 2), обычно название " М -арный" используется для случаев М > 2; значит, такие символы состоят из последовательности двух или большего числа битов. (Сравните подобный конечный алфавит систем DCS с тем, что мы имеем в аналоговых системах, когда сигнал сообщения является элементом бесконечного множества возможных сигналов.) Для систем, использующих канальное кодирование (коды коррекции ошибок), последовательность символов сообщений преобразуется в последовательность канальных символов (кодовых символов), и каждый канальный символ обозначается u_i. Поскольку символы сообщений или канальные символы мо­гут состоять из одного бита или группы битов, последовательность подобных симво­лов называется потоком битов (рис. 1.2).

Рассмотрим ключевые блоки обработки сигналов, изображенные на рис. 1.2; необ­ходимыми для систем ОСЗ являются только этапы форматирования, модуляции, де­модуляции/детектирования и синхронизации.

Форматирование преобразовывает исходную информацию в биты, обеспечивая, та­ким образом, совместимость информации и функций обработки сигналов с системой DCS. С этой точки рисунка и вплоть до блока импульсной модуляции информация остается в форме потока битов.

Модуляция — это процесс, посредством которого символы сообщений или канальные символы (если используется канальное кодирование) преобразуются в сигналы, со­вместимые с требованиями, налагаемыми каналом передачи данных. Импульсная моду­ляция — это еще один необходимый этап, поскольку каждый символ, который требу­ется передать, вначале нужно преобразовать из двоичного представления (уровни на­пряжений представляются двоичными нулями и единицами) в видеосигнал(модулированный сигнал). Термин "видеосигнал" (baseband signal) определяет сигнал, спектр которого начинается от (или около) постоянной составляющей и заканчивает­ся некоторым конечным значением (обычно, не более нескольких мегагерц). Блок импульсно-кодовой модуляции обычно включает фильтрацию с целью достижения минимальной полосы передачи.

Цифровой выход, mi

Цифровой вход, mi

Рис. 1.2. Функциональная схема типичной системы цифровой связи

При использовании импульсной модуляции для об­работки двоичных символов результирующий двоичный сигнал называется РСМ-сигналом (pulse-code modulation — импульсно-кодовая модуляция). Существует не­сколько типов РСМ-кодированных сигналов; в приложениях телефонной связи эти сигналы часто называются кодами канала. При применении импульсной модуляции к небинарным символам результирующий сигнал именуется М -арным импульсно-модулированным. Существует несколько типов подобных сигна­лов, основное внимание уделяется амплитудно-импульсной модуляции (pulse-amplitude modulation — РАМ). После импульсной модуля­ции каждый символ сообщения или канальный символ принимает форму полосового сигнала g_i(t), где і = 1,..., М. В любой электронной реализации поток битов, предше­ствующий импульсной модуляции, представляется уровнями напряжений. Может возникнуть вопрос, почему существует отдельный блок для импульсной модуляции, когда фактически уровни напряжения для двоичных нулей и единиц уже можно рас­сматривать как идеальные прямоугольные импульсы, длительность каждого из кото­рых равна времени передачи одного бита? Существует два важных отличия между по­добными уровнями напряжения и видеосигналами, используемыми для модуляции. Во-первых, блок импульсной модуляции позволяет использовать бинарные и М -арные сигналы. Во-вторых, фильтрация, производимая в блоке импульсной модуляции, формирует импульсы, длительность которых больше времени передачи одного бита. Фильтрация позволяет использовать импульсы большей длительности; таким образом, импульсы расширяются на соседние временные интервалы передачи битов. Этот процесс иногда называется формированием импульсов; он используется для поддержания полосы пе­редачи в пределах некоторой желаемой области спектра.

Для систем передачи радиочастотного диапазона следующим важным этапом явля­ется полосовая модуляция (bandpass modulation); она необходима всегда, когда среда пе­редачи не поддерживает распространение сигналов, имеющих форму импульсов. В та­ких случаях среда требует полосового сигнала s_i(t), где i = 1,..., М. Термин "полосовой" (bandpass) используется для отражения того, что видеосигнал g_i(t) сдви­нут несущей волной на частоту, которая гораздо больше частоты спектральных со­ставляющих g_i(t). Далее сигнал s_i(t) проходит через канал, причем связь между вход­ным и выходным сигналами канала полностью определяется импульсной характери­стикой канала h_c(t). Кроме того, в различных точках вдоль маршрута передачи дополнительные случайные шумы искажают сигнал, так что сигнал на входе приемника r(t) отличается от переданного сигнала s_i(t):

r(t) = s_i(t) * h_c(t) + n(t) i = 1, …, M (1.1)

где знак "*" представляет собой операцию свертки (см. приложение А), а n(t) — слу­чайный процесс.

При обработке полученного сигнала в принимающем устройстве входной каскад приемника и/или демодулятор обеспечивают понижение частоты каждого полосового сигнала r(t). В качестве подготовки к детектированию демодулятор восстанавливает ҚІ) в виде оптимальной огибающей видеосигнала z(t). Обычно с приемником и демодуля­тором связано несколько фильтров — фильтрование производится для удаления неже­лательных высокочастотных составляющих (в процессе преобразования полосового сигнала в видеосигнал) и формирования импульса. Выравнивание можно описать как разновидность фильтрации, используемой в демодуляторе (или после демодулятора) для удаления всех эффектов ухудшения качества сигнала, причиной которых мог быть канал. Выравнивание (equalization) необходимо в том случае, если импульсная харак­теристика канала h_c(t) настолько плоха, что принимаемый сигнал сильно искажен.

Основная литература 1 [9-20]; 6 [15-19].

Дополнительная литература 2 [4-5], 4 [11-15, 69-71].

Контрольные вопросы:

1. Дайте определение цифровым и аналоговым систамам передачи данных.

2. Из каких элементов состоит функциональная схема?

3. Что такое форматирование?

4. Дайте определение форматированию.

5. Полосовая модуляция.