Дельта модуляция в цифровой обработке сигналов. Модуль сжатия речевых сигналов цифровой атс. Преобразование сигнала при дельта-модуляции

Передача дискретных сообщений посредством AM, ЧМ или ФМ (OФM) осуществляется обычно простыми сигналами, база которых v =2 TF (2.1) не превышает нескольких единиц. Такие сигналы являются узкополосными, так как ширина спектра передаваемого сигнала F по порядку величины равна ширине спектра исходного сигнала (где Т - длительность одного исходного сигнала). Вместе с тем в настоящее время применяются системы, где используются сложные широкополосные сигналы с базой в несколько сотен или даже тысяч и с шириной спектра F >> Fm . Один из способов расширения спектра передаваемого сигнала состоит в том, что исходному сигналу ставится в соответствие сложный сигнал, состоящий из большого числа п элементарных сигналов длительностью Так как то база передаваемого сигнала v = 2 TF = n >>1. Существуют и другие способы формирования широкополосных сигналов, основанные на применении специальных видов модуляции. Основные достоинства широкополосных сигналов, вызывающие повышенный интерес к ним в последние годы, заключаются в том, что такие сигналы позволяют эффективно бороться с влиянием многолучевости и сосредоточенными по спектру помехами. В многолучевых каналах, где результирующий сигнал в месте приема представляет собой сумму сигналов отдельных лучей (5.74), помимо общих замираний, обусловленных интерференцией этих лучей, возможна также межсимвольная интерференция. Она заключается в том, что вследствие больших запаздываний лучей относительно друг друга происходит перекрытие сигналов соседних символов. Если эти символы разные и запаздывание одного порядка с длительностью соответствующих им сигналов, то возможны значительные искажения, снижающие помехоустойчивость связи. Поясним это на примере двоичной системы, приемное устройство которой состоит из двух согласованных фильтров и решающей схемы (см. рис. 5.7). Напомним, что выходное напряжение согласованного фильтра, обусловленное принятым полезным сигналом, представляет собой функцию автокорреляции сигнала Отсюда длительность выходного сигнала определяется интервалом корреляции сигнала, который примерно равен Для узкополосных сигналов и длительность выходного напряжения одного порядка с длительностью элементарного сообщения . На рис. 8.10.а в качестве примера показаны огибающие напряжений на выходе согласованных фильтров при приеме двоичной последовательности 1011, когда сигнал является узкополосным и образован тремя лучами. Сплошными линиями показаны напряжения, соответствующие первому лучу, а пунктиром - напряжения, относящиеся к двум другим лучам. Из рисунка видно, что в момент отсчета максимального значения напряжения первого луча на противоположном фильтре существуют напряжения от других лучей. Происходит перекрытие сигналов, поступающих на решающее устройство одновременно с двух фильтров, и вероятность ошибки резко возрастает. Это обстоятельство ограничивает скорость передачи информации, так как для нормальной работы необходимо, чтобы длительность элемента сообщения Т во много раз превышала максимальное запаздывание лучей относительно друг друга

Рис. 8.10. Отклики на выходе согласованных фильтров в двоичной системе: многолучевых узкополосных (а) и широкополосных (б) сигналов

Иная картина наблюдается в случае широкополосных сигналов, когда v >>1 и <<T (рис. 8.106). Сигналы на выходе в этом случае не перекрываются, если. < T . Это условие является менее жестким, и поэтому представляется возможным значительно повысить скорость работы по сравнению с узкополосными системами. Разделение лучей в широкополосных системах устраняет интерференцию между ними, т. е. одну из причин, вызывающих замирания сигналов. Более того, здесь можно посредством дополнительной обработки сложить все разделенные лучи и таким образом использовать многолучевость для повышения помехоустойчивости.

Рассмотрим работу систем с широкополосными сигналами при воздействии аддитивных помех. На первый взгляд применение широкополосных сигналов представляется нецелесообразным, так как оно приводит к увеличению мощности помех в полосе сигнала и повышает вероятность взаимных помех между соседними по спектру сигналами. Однако это не совсем так. При оптимальном приеме дискретных сообщений помехоустойчивость в канале с гауссовыми шумами, как известно, определяется только отношением энергии сигнала к спектральной плотности помех , т. е. не зависит от ширины спектра сигнала. Следовательно, помехоустойчивость узкополосных и широкополосных систем при флуктуационных помехах одинакова. Если прием осуществляется с помощью фильтра, согласованного с широкополосным сигналом, имеющим равномерный спектр в полосе F , то согласно (4.35) коэффициент передачи фильтра k (f ) можно принять равным 1 в полосе F и считать k (f )=0 на других частотах. Тогда в соответствии с (4.34) отношение мощностей сигнала и шума на выходе согласованного фильтра

(8.16)

что совпадает с выражением (4.3). Получаемый при этом выигрыш в n раз обусловлен тем, что здесь так же, как и при синхронном накоплении (см. § 4.2), в результате обработки сложного сигнала и помехи в согласованном фильтре все п- элементарных сигналов складываются по напряжению, а помеха - по мощности.

При воздействии сосредоточенной по спектру помехи, а такой помехой является любой узкополосный сигнал, находящийся в полосе F , все спектральные составляющие помехи пройдут на выход согласованного фильтра. Следовательно, подставляя в (8.16), вместо Рш мощность сосредоточенной помехи Рп, получим

Если в спектре сигнала расположено m независимых сосредоточенных помех, то, очевидно,

(8.17)

Отсюда следует, что отношение сигнала к помехе при прочих равных условиях прямо пропорционально ширине спектра сигнала F . Таким образом, широкополосные сигналы позволяют более эффективно бороться с помехами, сосредоточенными но спектру, чем узкополосные сигналы. Здесь, конечно, нужно иметь в виду, что если за счет увеличения m суммарная мощность помех растет пропорционально F , то расширение спектра сигнала выигрыша не дает

Преимущества широкополосных систем связи отчетливей выявляются при более общей постановке вопроса о взаимном влияний между сигналами. В ряде случаев передача информации по радиоканалам затрудняется в связи с большой перегруженностью используемых диапазонов частот. В реальных условиях приходится учитывать неизбежное по разным причинам нарушение регламентации частот, выделяемых для каждого сигнала. Часто имеет место одновременная передача сигналов с взаимно перекрывающимися спектрами. Предельным случаем является ситуация, когда вообще отсутствует какая-либо регламентация частот. Предположим, что в диапазоне частот одновременно передается п узкополосных сигналов, каждый из которых с одинаковой вероятностью может находиться в любом месте диапазона. Вычислим при этих условиях отношение сигнала к помехе при передаче дополнительного узкополосного или широкополосного сигнала. Для упрощения будем полагать, что все п узкополосных сигналов обладают одинаковой мощностью РП и имеют одну и ту же полосу частот

С равномерным энергетическим спектром . Если спектр принимаемого узкополосного сигнала, полоса которого также равна F , полностью перекрывается k мешающими сигналами, то отношение сигнала.к помехе на выходе согласованного фильтра в соответствии с 1(8.17) будет равно:

По условию все значения k лежат в пределах роме того, степень перекрытия спектров полезного и любого мешающего сигналов, а следовательно, и мощность помехи является непрерывной случайной величиной. Таким образом, отношение имеет случайный характер и находится в интервале

(8.18)

Рис. 8.11. Интегральные распределения отношения сигнала к помехе в системах с широкополосными и узкополосными сигналами

Интегральное распределение т. е. вероятность того, что не превышал некоторого значения q описывается непрерывной зависимостью На рис. 8.11 показан примерный график этой функции для (8.18).

Вычислим теперь отношение q ш, , если при тех же условиях вместо полезного узкополосного сигнала передается широкополосный сигнал. Будем полагать, что его спектр равномерно занимает весь диапазон, т. е. F = F Д . Согласно (8.17) в этом случае отношение q ш представляет собой постоянную величину

а интегральное распределение изменяется скачком при. График этого распределения для Рс= P П также приведен на рис. 8.11. Из сравнения распределений и q ш следует, что существует определенная вероятность значений , которые меньше q ш0 . Так как основная масса ошибок возникает при малых отношениях сигнала к помехе, то в условиях большой загрузки диапазона, когда вероятность достаточна велика, передача информации узкополосным сигналом обладает в среднем более низкой помехоустойчивостью по сравнению с передачей широкополосным сигналом. Возникает вопрос: что же произойдет, если все станции будут передавать информацию широко полосными сигналами? Пусть в диапазоне частот F Д размещаются n полностью перекрывающихся широкополосных сигналов, каждый из которых имеет ширину спектра F = F Д и мощность Рс. Если при этих условиях передается еще один такой же сигнал, то отношение сигнала к помехе на выходе согласованного фильтра в соответствии с (8.16) будет равно:

(8.19)

где энергетический спектр сигналов.

Следовательно, здесь интегральное распределение q ш также имеет вид скачка, изображенного на рис. 8.11. Отсюда следует вывод, что взаимные помехи при использовании широкополосных сигналов в загруженных диапазонах менее опасны, чем при передаче узкополосных сигналов. Интересно отметить, что, несмотря на полное перекрытие спектров, соответствующим выбором длительности сигнала Т всегда можно добиться необходимого превышения его над помехой (8.19).

Широкополосные сигналы обладают сравнительно малой спектральной плотностью , которая в некоторых случаях может быть даже ниже плотности шумов. Эта особенность позволяет осуществлять скрытную передачу широкополосных сигналов, а также свести до минимума их мешающее воздействие на узкополосные сигналы.

Введение

Широкополосные методы передачи впервые были применены в конце 2-й мировой войны в военных радиотехнических системах для обеспечения высокого расширения по дальности и борьбы с преднамеренными помехами противника. На данный момент эти методы были усовершенствованы, а многие недостатки устранены. Системы с ШПС(шумоподобными сигналами) получают все большее распространение за счет своих качеств, таких как: помехозащищенность при действии мощных помех и кодовую адресацию большого числа абонентов и их кодовое разделение при работе в общей полосе частот одновременно.

Широкополосные системы связи. Их назначение и характеристики

Широкополосная система - система, передаваемый сигнал которой занимает очень широкую полосу частот, значительно превосходящую ту минимальную ширину полосы частот, которая фактически требуется для передачи информации. По факту один символ представляется длинной кодовой последовательностью, что позволяет работать с большим уровнем шумов, ведь если даже часть этой последовательности будет искажена шумами, ее можно будет восстановить на приемной стороне.

Наиболее известным примером широкополосной модуляции является обычная частотная модуляция с индексом модуляции, большем единицы. Полоса, занимаемая ЧМ сигналом, является функцией не только полосы информационного сигнала, но и "глубины" модуляции. Во всех широкополосных системах выигрыш в величине отношения мощности сигнала к мощности шума достигается в процессе модуляции демодуляции. При ЧМ сигналах ОСШ на выходе демодулятора равно:

Где - максимальное значение индекса частотной модуляции;

ОСШ в полосе модулирующих частот или в полосе информационного сигнала, где S -мощность сигнала; N - мощность шума.

Широкополосную ЧМ можно рассматривать как широкополосный метод передачи, поскольку получаемый высокочастотный спектр (спектр радиочастот) имеет ширину, значительно превосходящую ширину спектра частот, занимаемого информационным сигналом.

Из всех возможных широкополосных видов модуляции можно выделить следующие три основных вида:

1. Модуляция несущей цифровой кодовой последовательностью с частотой следования символов, во много раз превосходящей ширину полосы информационного сигнала. Такие системы называются системами с одночастотным псевдослучайным сигналом.

2. Модуляция путем изменения (сдвига) частоты несущей в дискретные моменты времени на некоторую величину, значение которой задается кодовой последовательностью. Такие изменения частоты называются "частотными скачками". В этом случае в передатчике происходят мгновенные переходы с одной частоты на другую, каждая из которых выбирается из некоторого заранее определенного множества, причем порядок использования частот определяется кодовой последовательностью.

3. Линейная ЧМ импульсов, в результате которой частота несущей изменяется в широкой полосе частот за время, равное длительности импульса.

Метод широкополосной передачи был открыт К.Е Шенноном, который впервые ввел в рассмотрение понятие пропускной способности канала:

где С - пропускная способность, бит/с; W - ширина полосы, Гц; S - мощность сигнала; N - мощность шума.

Это уравнение устанавливает связь между возможностью осуществления безошибочной передачи информации по каналу с заданным ОСШ и полосой частот, отведенной для передачи информации.

Для любого заданного ОСШ малая частота ошибок при передаче получается при увеличении полосы частот, отводимой для передачи информации.

Следует отметить, что сама информация может быть введена в широкополосный сигнал несколькими способами. Наиболее известный способ заключается в наложении информации на широкополосную модулирующую(рис.1).

Рис.1.Структурная схема системы с псевдослучайными одночастотными сигналами и формы сигналов в различных ее точках.

Кодовую последовательность перед модуляцией несущей для получения широкополосного сигнала. Этот способ пригоден для любой широкополосной системы, в которой применяется кодовая последовательность для расширения спектра высокочастотного сигнала (системы с одночастотным и многочастотным псевдослучайными сигналами). Очевидно, что предаваемая информация в этом случае должна быть представлена в некотором цифровом виде, поскольку наложение информации на двоичную кодовую последовательность обычно выполняется в виде операции сложения по модулю 2. В другом варианте информация не может быть использована для непосредственной модуляции "несущей" до расширения спектра. При этом обычно используется один из видов угловой модуляции, поскольку в широкополосных системах в большинстве случаев желательно, чтобы огибающая выходного высокочастотного сигнала была постоянной.

Следует отметить некоторые свойства широкополосных система:

Способность селективной адресации; возможность уплотнения на основе кодового разделения для систем с многократным доступом; обеспечение скрытной передачи за счет использования сигналов с малой спектральной плотностью мощности; трудность расшифровки сообщений при прослушивании; высокую разрешающую способность при измерениях дальности; помехозащищенность.

Однако невозможно, чтобы система одновременно обладала всеми вышеперечисленными свойствами. Например, трудно ожидать, что сигнал, обладающий хорошей скрытностью, одновременно может быть принят на фоне интенсивных помех. Однако система могла бы удовлетворить и тем и другим требованиям, если использовать режим передачи с пониженной мощностью, когда требуется скрытность, и режим передачи с повышенной мощностью для подавления интерференционных помех.

В настоящее время для борьбы с селективными замираниями и многолучевостью (эхо-сигналами) применяются последователь­ные ШПС с символами одинаковой частоты и параллельные ШПС с символами различной частоты . Формирование первых из упомянутых ШПС достигается манипуляцией фазы символов п -значной М-последовательностью. Вторые из применяемых ШПС составляются из элементарных сигналов, образующих множество ортогональных функций на интервале времени, равном длитель­ности элемента сигнала то (например, ортогональных гармониче­ских колебаний, полиномов Эрмита и др.).

Физически эффективность использования ШПС для борьбы с замираниями можно объяснить следующим образом. Во-первых, ввиду того, что энергия ШПС распределена в широком диапазо­не частот, некоррелированные замирания в отдельных участках спектра (селективные замирания) не могут в значительной сте­пени повлиять на прием всего сигнала в целом. Здесь можно про­вести определенную аналогию с частотно-разнесенным приемом. Во-вторых, имеется возможность выделить в приемном устройстве только один из приходящих лучей, так как ШПС, как известно, имеют ярко выраженный пик функции автокорреляции (рис. 2.31). Этот наиболее радикальный метод избавления от интерфе­ренции между приходящими лучами, т. е. от селективных зами­раний и явления эха, можно реализовать, если длительность им­пульсов на выходе приемного устройства меньше минимального времени взаимного запаздывания лучей ( < ). Данное условие легко выполняется правильным выбором базы ШПС. В-третьих, из возможности селекции только одного луча логично вытекает принципиальная возможность раздельного приема всех лучей.

Дополнительным условием решения этой задачи, кроме отме­ченного выше ( < ), является выполнение неравенства < т.е. максимальное время взаимного запаздыва­ния лучей должно быть меньше длительности элемента сигнала, что обеспечивается рациональным выбором скорости передачи сигналов. Осуществив раздельный прием лучей и произведя их оптимальное сложение (после соответствующего фазирования), можно не только избавиться от селективных замираний и явле­ния эха, но и заметно повысить достоверность приема при дан­ной мощности передатчика или снизить мощность передатчика при заданной достоверности .

Принцип построения системы широкополосной связи иллюст­рируется рис. 5.6. Первичный узкополосный сигнал с шириной спектра поступает на смеситель, куда подаются также колебания с полосой частот от генератора широкополосно­го сигнала (ГШС). Этим достигается формирование ШПС, ко­торым модулируется несущая частота передатчика (ПРД). Ши­рина спектра передаваемого сигнала определяется полосой частот .

На приемной стороне происходят обратные преобразования. Для нормального функционирования системы генераторы широ­кополосных сигналов передающего и приемного устройства долж­ны быть идентичными и должны работать синхронно и синфазно. Необходимым этапом обработки принятого сигнала является его прохождение либо через коррелятор, либо через согласованный фильтр (СФ), как это показано на рис. 5.6. Выделение основного максимума функции автокорреляции осуществляется решающим устройством (РУ). В бинарной системе связи оно принимает ре­шение о приеме либо сигнала посылки, либо сигнала паузы.

Широкополосные системы связи являются радикальным средством борьбы не только с замираниями. Они обеспечивают эф­фективную борьбу с аддитивными сосредоточенными и импульс­ными помехами при сохранении устойчивости к флуктуационным помехам. Действительно, если на вход приемника широкополос­ного сигнала с полосой поступают ШПС мощностью Р С , сос­редоточенная помеха мощностью (например, от узкополос­ной радиостанции) и флуктуационные шумы со спектральной плотностью , то отношение сигнал/помеха на входе приемника равно

(5.13)

С увеличением мешающее действие сосредоточенной по­мехи падает, а стремится к .

Помехи, создаваемые ШПС в узкополосных системах, по своему характеру подобны флуктуационным шумам и их влияние обратно пропорционально отношению , где - ширина спектра узкополосного сигнала. Этим определяется возмож­ность совместной работы широкополосных и узкополосных систем радиосвязи.

В результате обработки ШПС в приемном устройстве отноше­ние сигнал/шум на выходе коррелятора (согласованного фильтра) растет согласно теории потенциальной помехоустойчивости про­порционально базе сигналаВ :

Значит, увеличивая В при заданном , можно передавать информацию и в случае , что затрудняет прием ШПС, если их форма не известна, и повышает энергетическую скрыт­ность связи. Наконец, широкополосные системы связи обеспечи­вают многоадресную передачу информации в полосе частот более узкой, чем при использовании узкополосных сигналов и одинако­вом числе корреспондентов.

МЕТОД ПРЕРЫВИСТОЙ СВЯЗИ

За последние годы все большее внимание уделяется системам прерывистой связи, обеспечивающим повышение верности и сред­ней скорости передачи информации по радиоканалам.

При использовании для дальней связи тропосферного и ионо­сферного рассеяния радиоволн в отдельные промежутки времени из-за плохих условий их распространения никакой метод приема не обеспечивает получения результирующего сигнала выше уров­ня, необходимого для нормального приема. Наиболее эффектив­ным методом передачи информации в таких случаях является ме­тод прерывистой связи. В системе прерывистой связи информация передается только в те промежутки времени, в течение которых обеспечивается надежный прием сигналов.

Метод основан на использовании обратного канала связи, обес­печивающего оценку условий распространения радиоволн. Перед началом очередного сеанса связи излучается зондирующий сиг­нал, а информация накапливается на передающем конце в запо­минающем устройстве. Когда отношение сигнал/помеха в пункте приема выше определенного порогового значения , по обратному каналу посылается специальная команда на передачу накопленной информации, которая «выстреливается», т. е. пере­дается со скоростью, во много раз превышающей скорость пере­дачи в непрерывных системах связи. При снижении уровня сигна­ла приемный пункт прерывает передачу информации специальной командой, после чего начинает опять излучаться зон­дирующий сигнал и т. д.