2-3. Обработка цифрового сигнала в тракте основной полосы передающей части (ТОПпд)
|
2-3. Обработка цифрового сигнала в тракте основной полосы передающей части (ТОПпд) |
Обработка цифровых сигналов в ТОПпд необходима для улучшения работы системы связи. Основные операции в ТОПпд следующие:
Перемежение
Перемежение – операция, предназначенная для уменьшения времени восстановления системы связи после сбоев и для облегчения работы системы помехоустойчивого кодирования.
В системе связи без перемежения время перерыва работы после сбоя (пропадания сигнала) значительно больше, чем продолжительность самого сбоя. Объясняется это тем, что при сбое может нарушиться работа систем синхронизации. Выделитель тактовой частоты представляет собой высокодобротное устройство, обладающее значительной инерционностью и, следовательно, при пропадании цифрового сигнала выделитель по инерции продолжает работать какое-то время. Но если время срыва работы системы связи значительное, то выделитель прекратит свою работу. Для того, чтобы после появления сигнала выделитель снова вошел в нормальный режим, также требуется значительное время. Причем начало полноценной работы выделителя тактовой частоты не означает начала работы системы связи, поскольку необходимо обеспечить ещё и синхронизацию по кадрам (циклам, фреймам), которая занимает достаточно большой и случайный промежуток времени.
Основные виды перемежения – по кодовым группам и по кодовым символам.
На рис. 2-3-1 показано перемежение по кодовым группам, которое заключается в том, что кодовые группы меняются местами по какому-либо закону. При этом, сбои в работе системы будут относиться к кодовым группам, размещенным в разных временных интервалах исходного цифрового потока. Если на приемном конце местоположение кодовых групп будет восстановлено, то длительный сбой будет разбит на ряд более коротких сбоев. При этом, за время короткого сбоя, выделение тактовой частоты может и не прекратиться и, в самом плохом случае, система связи продолжит работу практически сразу после сбоя, в момент появления цифрового сигнала . Практически же, время перерыва связи будет меньше времени сбоя за счет работы системы помехоустойчивого кодирования, которая может восстановить некоторые пропавшие кодовые комбинации.
Рис. 2-3-1
На рис. 2-3-2 показан принцип перемежения по символам. Исходный цифровой поток разбивается на блоки из которых составляется матрица. Строки матрицы -это блоки цифрового потока. Считывание сигнала с матрицы проводится по столбцам. Следовательно, символы цифрового потока будут переставлены внутри каждого блока и в такой последовательности переданы по системе связи. На приемном конце работает система деперемежения, которая восстанавливает исходную последовательность.Если в процессе работы наблюдались сбои цифрового потока, то в блоках будут поражены не все символы, а только некоторые, как показано на рис. 2-3-2 в восстановленном сигнале. Большинство таких пораженных символов могут быть восстановлены системой помехоустойчивого кодирования. Причем, одиночные и некоторые слвоенные ошибки могут быть восстановлены, практически, со полной вероятностью.
Рис. 2-3-2
Помехоустойчивое кодирование
Помехоустойчивое кодирование - обязательная операция в современных цифровых системах связи. Дело в том, что при передаче сжатых сигналов важность каждого бита многократно возрастает. Другими словами, помехоустойчивость системы связи падает. Скомпенсировать падение помехоустойчивости можно применяя специальное кодирование цифровых сигналов. Разработано множество помехоустойчивых кодов и структур. Проясним общие, наиболее простые способы кодирования.
Очевидно, что для помехоустойчивого кодирования нужно решить две основные задачи. Прежде всего нужно обнаружить ошибки в цифровом потоке и, затем, исправить их. Для обнаружения ошибок проще всего использовать контроль по четности (нечетности). Для этого к блоку символов добавляется еще символ с тем расчетом, чтобы общее количество единичных символов в блоке было-бы четным (нечетным). Для примера будем проводить контроль по четности. При этом, если число единиц в блоке символов четное, то к блоку добавим 0, если нечетное - 1. На рис. 2-3-3 блок символов содержит три единицы. Значит в кодере добавляется еще одна 1 и в таком виде сигнал поступает в канал связи. Если при передаче возникает одиночная ошибка в блоке, число единиц станет нечетным и будет зафиксирована ошибка в блоке. В этом случае по обратному каналу системы связи будет передана информация о обнаружении ошибки и послан запрос на повторение передачи блока символов. Подобные системы применяются при связи компьютера с переферийными устройствами (к примеру, с принтером).
Рис. 2-3-3
Теперь сформируем простейшую структуру (рис. 2-3-4) , которая не только обнаруживает ошибки, но и исправляет их. Для этого цифровой поток разбиваем на отдельные блоки и формируем из блоков матрицу, строки которой составлены из этих блоков. В нашем случае сформированы блоки из четырех символов и матрица получается размером 4 х 4. добавим к каждой строке матрицы и каждому столбцу символы для контроля по четности. Аналогичную операцию проведем для диагонали матрицы. В результате получится новая матрица размером 5 х 5. Если возникнет ошибка в каком либо блоке, эта ошибка локализуется по строке и столбцу матрицы и подлежит инверсии (исправлению). Этот принцип позволяет исправить и сдвоенные ошибки, если одна из них попадает на диагональ матрицы. При этом первой локализуется и исправляется ошибка, расположенная на диагонали, а, затем, ошибка, расположенная вне диагонали. Какой ценой достигается исправление ошибок этим способом? В этом конкретном примере на каждые 16 символов формируется блок из 25 символов, т.е. используется 9 избыточных символов.
Рис. 2-3-4
Если в качестве элементов матрицы применить не отдельные символы, а целые блоки символов с блоками проверочных элементов, то обнаруживать ошибки и исправлять их также можно блоками.
Есть другое направление для построения помехоустойчивого кодирования - использование специально составленного алфавита. Если обратиться к принципу получения цифровых сигналов, то можно заметить, что при использовании восьмиразрядного кода получается для описания сигнала 256 цифровых комбинаций. Другими словами используется алфавит из 256 букв! В русском языке мы вполне обходимся всего 33 буквами. И цифровых системах связи вполне можно уменьшить число букв или, вернее, число разрешенных кодовых комбинаций. Эти кодовые комбинации должны иметь какие-то общие признаки. К примеру, они все должны делиться на некий полином без остатка. Если в принятых комбинациях возникает остаток при делении, то это означает, что в комбинациях возникла ошибка. Анализируя характер остатка система принимает решение об исправлении ошибки с определенной вероятностью правильного решения. Рассмотрим такой простейший пример. Предположим, что для описания какого-либо процесса используется такой набор цифр - 4, 8, 12, 16, 20, и т.д. Все эти цифры кратны 4. Цифры не кратные 4 в описании процесса не используются. Поэтому, если при приеме появилась цифра 17, то система делает вывод об ошибке. Анализируя остаток от деления 17 на 4 принимается решение о том, что возможно передавалась ближайшая разрешенная цифра - 16. Это весьма примитивный пример. В действительности при анализе ошибок используются сложные алгоритмы, в которых учитываются взаимосвязи между различными разрешеннами состояниями.
На подобных принципах функционируют такие совершенные помехоустойчивые коды как BCH (Боуза-Чоудхури-Хоквингема) или их модификация - код Рида-Соломона, которые в настоящее время являютя основными в формировании устройств FEC (Forward Error Correction) трактов обработки цифровых потоков (http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%BE%D0%B4_%D0%A0%D0%B8%D0%B4%D0%B0-%D0%A1%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%BC%D0%BE%D0%BD%D0%B0).
Рис. 2-3-5
На рис. 2-3-5 показан принцип использования кода Рида-Соломона. Здесь в кодере к информационным байтам добавляются проверочные байты, в резултате чего формируется сигнал из кодовых слов, каждое из которых может быть поделено на проверочный полином без остатка. На приемном конце вычисляются ошибки, проводится их анализ и исправление. Для данного примера на 188 информационных байт формируется 204 кодовых слов и при этом возможно исправить 8 байт.
Как правило, совместно с кодом Рида-Соломона в FEC применяются сверточные или решетчатые коды. Основы сверточных кодов описаны на сайте http://www.sbi-telecom.ru/cvertochnye-kody.html.
Для минимизации влияния ошибок в некоторых узлах оборудования, в частности, в модуляторах и аналого-цифровых преобразователях применяется код Грея. В этом коде два соседних значения отличаются только в одном разряде в отличии от натурального двоичного кода.
Рис. 2-3-6
На рис 2-3-6 показано формирование четырехуровнего сигнала, которое часто применяется в современных модуляторах. Здесь каждому из четырех уровней соответствует двоичное число (подробно о назначении таких сигналов будет рассказано в следующих разделах). При использовании натурального кода ошибка в одном разряде приводит к ошибке при формировании выходного сигнала в два уровня. Если же применить код Грея, как показано в нижней части рисунка ошибка будет соответствовать только одному уровню. Еще больший выигрыш получается при увеличении числа разрядов. Сравните величины ошибок при использовании натурального кода и кода Грея при формировании шестиуровнего сигнала (рис. 2-3-7).
Рис 2-3-7
Скремблирование и дескремблирование
Цифровые системы связи лучше всего работают если вероятность появления в сигнале нулей и единиц примерно одинакова. Другими словами, в цифровом потоке должны отсутствовать как длинные серии нулей, так и единиц. Иначе, возникающие переходные процессы искажают глаз-диаграммы и увеличивают количество ошибок. Для улучшения работы цифровых систем связи полезный цифровой сигнал складыватся на передающем конце с псевдослучайным сигналом (ПСП). Эта операция называется скремблирование и выполняется в специальных устройствах - скремблерах (рис. 2-4-8). На приемном конце псевдослучайная составляющая удаляется из цифрового потока в дескремблерах.
Рис. 2-4-8
.
