Способы передачи цифровых сигналов по радиоканалу

Способы передачи цифровых сигналов по радиоканалу

У несущего колебания есть следующие параметры: амплитуда, частота и фаза. Под действием аналогового сигнала один из этих параметров приобретает любые значения. Под действие цифрового сигнала – только ряд фиксированных значений. Этот вид модуляции называют манипуляцией. Передаваемый сигнал можно в результате манипуляции можно представить в следующей форме

Для передачи цифровых сигналов применяют амплитудную манипуляцию АМ, в иностранной литературе называемой ASK (Amplitude Shift Keying), частотная ЧМ – FSK (Frequency Shift Keying); фазовая модуляция ФМ – PSK (Phase Shift Keying).

Качество того или иного вида модуляции оценивают по таким показателям:

· Эффективность использования частотного спектра;

· Минимально необходимое (пороговое) соотношение сигнал-шум;

· Стойкость к ухудшению условий приема (помехи и особенно многолучевое распространение сигнала – отражения от соседних зданий).

Помехи наземному ЦТВ принципиально не отличаются от помех в аналоговых системах, поскольку работа первых предусматривалась в рамках тех же национальных частотных сеток вещания, что позволило учесть опыт распространения обычного ТВ метрового и особенно дециметрового диапазонов волн в реальных условиях. Для радиоволн этих длин характерно «неумение» огибать препятствия и способность хорошо отражаться от них. Если наряду с основным радиосигналом принимается сигнал, отраженный от какого-либо препятствия и пришедший к приемной антенне с задержкой, на экране аналогового приемника появляется повтор – копия изображения, сдвинутая по горизонтали. На практике в точку приема приходит многолучевой сигнал, состоящий из прямого и нескольких отраженных с различными задержками и фазовыми сдвигами относительно прямого луча эхосигналов. Подключив телевизор к комнатной антенне, легко увидеть, что при приеме сигнала даже с находящейся в прямой видимости телевышки «картинка» может существенно искажаться, например, если двигаться в данном помещении. В комнате образуются стоячие волны, и тело человека может менять их картину. Положение максимумов и минимумов стоячих волн зависит от частоты сигнала, и поэтому в точке приема разные частотные компоненты спектра сигнала могут избирательно подавляться.

Общеизвестный метод борьбы с многолучевостью – применение направленных наружных антенн. Однако при приеме на слабонаправленную комнатную антенну или в процессе движения он малопригоден. Кроме этого, к появлению помех, аналогичных помехам от отраженных сигналов, приводит использование одной частоты передатчиками с перекрывающимися зонами покрытия (так называемая одночастотная сеть). Часто оказывается выгодным осуществлять передачу не с одного мощного передатчика, а с целого ряда распределенных в пространстве сравнительно маломощных передатчиков, синхронно работающих на одной частоте. Это позволяет избежать точек неуверенного приема, которые неизбежны при работе одного передатчика (загороженного высотным зданием, например). Для синхронизации таких передатчиков используют сигналы GPS, передаваемые каждую секунду!

Даже с учетом того, что пороговое отношение сигнал/шум (C/Ш) для ЦТВ примерно в 5¸10 раз лучше, принимая во внимание пороговый эффект в ЦТВ (либо качественное изображение без сетки, муара и прочих свойственных аналоговому искажений, либо темный экран), обеспечению надежности приема в стандарте было уделено первостепенное значение.

Реальная скорость компрессированных данных на выходе кодера MPEG -2 составляет 4..5 Мбит/с. Средняя же скорость на ТВ-программу в цифровом потоке из 10 программ обычно меньше и находится в пределах 3,7..3,9 Мбит/с. Статистика показывает, что ежегодно за счет улучшения характеристик кодеров и декодеров MPEG-2 средняя скорость цифрового потока для передачи одной программы снижается на 5..7% и вскоре может составить 3 Мбит/с.

Для передачи по канала связи ТВ-сигналов высокой четкости стандартом рекомендовано использовать основной профиль–высокий уровень (MP@HL). В этой комбинации предусматривается 1125 (1080) активных строк в кадре с чересстрочным (I) или прогрессивным (P) разложением и 1920 отсчетов в активной части строки для яркостного сигнала и по 960 для CR и CB. Общее количество отсчетов в полной строке составляет 2640 для Y и по 1320 для CR и CB. При частоте кадров 25 Гц частота строк составляет 28125 Гц. Прогрессивный способ развертки допускает использование сегментных кадров (PsF), состоящие из нечетных и четных строк изображения. Средняя скорость компрессированных данных одной программы высокой четкости в стандарте MPEG -2 составляет около 18 Мбит/с и эта величина имеет тенденцию к снижению.

Тем не менее, применить двухпозиционное манипулирование, т. е. передачу двоичных кодов, кода используют только два уровня сигнала, оказывается невозможным для канала с шириной полосы в 8 МГц. Эффективность использования по частоте увеличивается при росте числа состояний, которые может принимать исходный сигнал, т. е. речь идет об использовании кодов с основанием большем, чем 2. Обычно используют числа равные степени двойки - . Предположим, используют трехразрядный двоичный код, с помощью которого можно передать 8 различных символов. Такой сигнал можно передать на несущей частоте, используя 8 дискретных значений фазы – через 45^0.. Эффективность использования частотного диапазона повышается в три раза, так как на несущей частоте теперь передают символы, содержащие три бита, а не один. Скорость передачи данных равна частоте следования символов, умноженный на логарифм по основанию 2 числа уровней (позиций при модуляции) : .Обращаю внимание, что используют код, у которого соседние кодовые комбинации отличаются не более, чем на единицу! Это снижает вероятность больших ошибок при некачественном приеме! Это так называемый код Грея!

Однако, чем больше состояний может принимать модулируемый параметр, тем меньше расстояние между этими состояниями и, следовательно, снижается помехоустойчивость передачи. Ухудшение условий приема на отдельных частотах – замирания весьма распространенное явление. Более устойчивы к этим помехам широкополосные виды модуляции. Кроме того, следует учитывать эффект Доплера при приеме ТВ передач на мобильном объекте (автомобиле). Обычно ограничиваются скоростями до 150 км/час.