Преобразование сигналов
Погрешности и шумы квантования.
Квантование по уровню, равномерное и неравномерное квантование.
Преобразование сигналов.
Канал есть совокупность технических средств между источником сообщений и потребителем. Технические устройства, входящие в состав канала, предназначены для того, чтобы сообщения дошли до потребителя наилучшим образом – для этого сигналы преобразуют. Такими полезными преобразованиями сигнала являются модуляция, рассмотренная ранее и преобразование непрерывных сигналов в дискретные. Соответственно, каналы классифицируют по состояниям – непрерывные и дискретные .
Сигналы, несущие информацию о состоянии какого-либо объекта или процесса, по своей природе непрерывны, как непрерывны сами процессы. Поэтому такие сигналы называют аналоговыми, т.к. они являются аналогом отображаемого ими процесса или состояний объекта. Число значений, которое может принимать аналоговый сигнал, бесконечно. Соответственно, каналы, по которым передаются эти сигналы, также являются аналоговыми.
В АТС задача часто сводится к тому, чтобы различить конечное число состояний объекта, например, занята рельсовая цепь или свободна. Для передачи этого числа состояний достаточно сравнить принимаемый сигнал с некоторым опорным сигналом. Если он больше опорного, объект находится в одном состоянии, меньше – в другом. Чем больше число состояний объекта, тем больше должно быть опорных уровней.
С другой стороны, информацию о состоянии объекта потребителю достаточно получать не непрерывно во времени, а периодически, и, если период опроса увязать со скоростью изменения состояний объекта, то потребитель не будет иметь потерь информации.
В результате преобразований непрерывного сигнала, называемых квантованием и дискретизацией получают отсчеты сигнала, рассматриваемые как числа в той или иной системе счисления. Эти отсчеты являются дискретными сигналами . Эти числа преобразуют в кодовые комбинации электрических сигналов, которые и передают по линии связи как непрерывные. При использовании в качестве носителя постоянного состояния получают последовательность видеоимпульсов. При необходимости этой последовательностью модулируют гармоническое колебание и получают последовательность радиоимпульсов.
Под кодированием понимают преобразование дискретных сигналов в последовательность или комбинацию некоторых символов. Символ кода – это элементарный сигнал , отличающийся от другого символа кодовым признаком . Число значений кодовых признаков называется основанием кода – m . Число символов в кодовой комбинации п определяет длину кода. Если длина кода для всех комбинаций постоянна, код называется равномерным. Чаще всего используются равномерные двоичные (m =2) коды. Максимальное число кодовых комбинаций при равномерном кодировании: N = m n .
Представление непрерывных сигналов отсчетами, а отсчетов – совокупностью символов называется цифровыми видами модуляции . Из них наиболее распространенными являются импульсно-кодовая модуляция (ИКМ) и дельта-модуляция (ДМ).
Рассмотрим ИКМ. Пусть нам надо передать непрерывный сигнал с диапазоном изменения от нуля до 15 вольт. Считаем, что нам достаточно передать 16 уровней, т.е. N = 16. Отсюда, если m = 2, то n = 4. Кодируем: 0 В – 0000, 1 В – 0001, 2 В – 0010, 3 В – 0011 и т.д. Эти числа в виде импульсов и пауз поступают в линию связи, затем в приемнике декодируются и превращаются, если нужно, снова в непрерывный сигнал. Преобразование непрерывного сигнала в дискретный осуществляется в устройствах, называемых аналого-цифровыми преобразователями (АЦП), обратные преобразования – в устройствах цифро-аналогового преобразования (ЦАП).
1.1 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
Кодирование – преобразование элементов дискретного сообщения в последовательности кодовых символов. Обратное преобразование – декодирование .
Устройства, осуществляющие эти операции автоматически, называются соответственно кодером и декодером . Кодек – устройство, объединяющее кодер и декодер.
Код – алгоритм (правило), по которому осуществляется кодирование.
Кодовая комбинация (слово) – последовательность кодовых символов, соответствующая одному элементу дискретного сообщения.
Кодовый алфавит – весь набор кодовых символов.
Основание кода m – число символов в кодовом алфавите. Если m=2 код называется двоичным , m>2 – многопозиционным (недвоичным) .
Разряд – значащая позиция кодового слова.
Разрядность (значность) кода n – число символов в кодовой комбинации. Если n=const, то код называется равномерным , n≠const – неравномерным .
Кодеры и декодеры легче сделать для равномерных двоичных кодов.
1.2 СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ ДИСКРЕТНЫХ СООБЩЕНИЙ
Рисунок 1.1 – Структурная схема системы передачи дискретных сообщений.
Источник выдает дискретное сообщение. Для формирования дискретного сообщения из непрерывного используется дискретизация по времени и по уровню.
Кодирование источника (сжатие данных) применяется для снижения технических затрат на хранение и передачу информации.
Криптографическое кодирование (шифрование) применяется для предотвращения несанкционированного доступа к информации.
Кодирование канала (помехоустойчивое кодирование) применяется для повышения достоверности передачи информации по каналу с помехами.
1.3 СЖАТИЕ ДАННЫХ
Сжатие возможно, т.к. данные на выходе источника содержат избыточную и/или плохо различимую информацию.
Плохо различимая информация - информация, которая не воздействует на ее приемник. Подобная информация сокращается или удаляется при использовании сжатия с потерями . При этом энтропия исходной информации уменьшается. Сжатие с потерями применяется при сжатии цифровых изображений и оцифрованного звука.
Приемы, применяемые в алгоритмах сжатия с потерями:
Использование модели – подбор параметров модели и передача только одних параметров;
Предсказание – предсказание последующего элемента и передача величины ошибки;
Дифференциальное кодирование – передача изменений последующего элемента при сравнении с предыдущим.
Избыточная информация – информация, которая не добавляет знаний о предмете. Избыточность может быть уменьшена или устранена с помощью сжатия без потерь (эффективного кодирования) . При этом энтропия данных остается неизменной. Сжатие без потерь применяется в системах передачи данных.
Приемы, применяемые в алгоритмах сжатия без потерь:
Кодирование длин последовательностей – передача числа повторяющихся элементов;
Кодирование словаря – использование ссылок на переданные ранее последовательности, а не их повторение;
Неравномерное кодирование – более вероятным символам присваиваются более короткие кодовые слова.
1.4 КОДИРОВАНИЕ СЛОВАРЯ
Позволяет уменьшить избыточность, вызванную зависимостью между символами. Идея кодирования словаря состоит в замене часто встречающихся последовательностей символов ссылками на образцы, хранящиеся в специально создаваемой таблице (словаре). Данный подход основан на алгоритме LZ, описанном в работах израильских исследователей Зива и Лемпеля.
1.5 НЕРАВНОМЕРНОЕ КОДИРОВАНИЕ
Позволяет уменьшить избыточность, вызванную неравной вероятностью символов. Идея неравномерного кодирования состоит в использовании коротких кодовых слов для часто встречающихся символов и длинных – для редко возникающих. Данный подход основан на алгоритмах Шеннона-Фано и Хаффмана.
Коды Шеннона-Фано и Хаффмана являются префиксными. Префиксный код – код, обладающий тем свойством, что никакое более короткое слово не является началом (префиксом) другого более длинного слова. Такой код всегда однозначно декодируем. Обратное неверно.
Код Шеннона-Фано строится следующим образом. Символы источника выписываются в порядке убывания вероятностей (частот) их появления. Затем эти символы разбиваются на две части, верхнюю и нижнюю, так, чтобы суммарные вероятности этих частей были по возможности одинаковыми. Для символов верхней части в качестве первого символа кодового слова используется 1, а нижней – 0. Затем каждая из этих частей делится еще раз пополам и записывается второй символ кодового слова. Процесс повторяется до тех пор, пока в каждой из полученных частей не останется по одному символу.
Пример1.1:
Таблица 1.1 – Построение кода Шеннона-Фано.
|
Вероятность |
Этапы разбиения | ||||||
Алгоритм Шеннона-Фано не всегда приводит к построению однозначного кода с наименьшей средней длиной кодового слова. От отмеченных недостатков свободен алгоритм Хаффмана.
Код Хаффмана строится следующим образом. Символы источника располагают в порядке убывания вероятностей (частот) их появления. Два самых последних символа объединяют в один вспомогательный, которому приписывают суммарную вероятность. Полученные символы вновь располагают в порядке убывания вероятностей, а два последних объединяют. Процесс продолжается до тех пор, пока не останется единственный вспомогательный символ с вероятностью 1. Для нахождения кодовых комбинаций строится кодовое дерево. Из точки, соответствующей вероятности 1, направляются две ветви. Ветви с большей вероятностью присваивается символ 1, с меньшей – 0. Такое ветвление продолжается до достижения вероятности каждого символа. Двигаясь по кодовому дереву сверху вниз , записывают для каждого символа кодовую комбинацию.
Пример1.2:
Таблица 1.2 – Построение кода Хаффмана.
Рисунок 1.2 – Кодовое дерево для кода Хаффмана.
1.5 Кодирование сигналов
1.5.1 Основные виды и способы обработки
и кодирования данных
Этап подготовки информации связан с процессом формирования структуры информационного потока. Такая структура должна обеспечивать возможность передачи информации от объекта к субъекту (от источника к потребителю) по каналам коммуникаций посредством определенных сигналов или знаков, а также возможность однозначного понимания этих сигналов и обеспечения их записи на соответствующие носители информации. Для этого осуществляется кодирование сигналов.
Кодирование информации – одна из базовых тем курса теоретических основ информатики, отражающая фундаментальную необходимость представления информации в какой-либо форме. При этом слово "кодирование" понимается не в узком смысле – как способ сделать сообщение непонятным для всех, кто не владеет ключом кода, а в широком – как представление информации в виде сообщения на любом языке. В канале связи сообщение, составленное из символов (букв) одного алфавита, может преобразоваться в сообщение из символов (букв) другого алфавита.
Код – правило (алгоритм), сопоставляющее каждое конкретное сообщение (информацию) со строго определенной комбинацией различных символов (или соответствующих им сигналов).
Кодирование – процесс преобразования сообщения (информации) в комбинацию различных символов или соответствующих им сигналов, осуществляющийся в момент поступления сообщения от источника в канал связи.
Кодовое слово – последовательность символов, которая в процессе кодирования присваивается каждому из множеств передаваемых сообщений.
Декодирование – процесс восстановления содержания сообщения по данному коду.
Необходимым условием декодирования является взаимно однозначное соответствие кодовых слов во вторичном алфавите кодируемым символам первичного алфавита.
Устройство, обеспечивающее кодирование, называют кодировщиком.
Система кодирования – совокупность правил кодового обозначения объектов – применяется для замены названия объекта на условное обозначение (код) в целях обеспечения удобной и более эффективной обработки информации, т. е. кодирование – это отображение информации с помощью некоторого языка. Любой язык состоит из алфавита, включающего в себя буквы, цифры и другие символы, и правил составления слов и фраз (синтаксических правил).
Первичный алфавит – символы, при помощи которых записано передаваемое сообщении; вторичный – символы, при помощи которых сообщение трансформируется в код.
Код характеризуется длиной (числом позиций в коде) и структурой (порядком расположения символов, используемых для обозначения классификационного признака).
Неравномерные (некомплектные) коды – это коды, с помощью которых сообщения кодируются комбинациями с неравномерным количеством символов; равномерные (комплектные) – коды, с помощью которых сообщения представлены комбинациями с равным количеством символов.
5) Для хранения в ЭВМ информация кодируется. При выборе языка создатели руководствовались следующими соображениями:
Буквы алфавита должны надежно распознаваться (нельзя допустить, чтобы одна буква была принята за другую);
Алфавит должен быть как можно проще, т. е. содержать поменьше букв;
Синтаксис языка (правила построения слов и фраз) должен быть строгим, однозначным, не допускающим неопределенности.
6) Таким свойством обладают математические теории, в них все строго определено.
7) 1.5.2 Кодирование текста
Не возникает никаких проблем при кодировании информации, представимой с помощью ограниченного набора символов – алфавита. Достаточно пронумеровать все знаки этого алфавита и затем записывать в память компьютера и обрабатывать соответствующие номера. Самым простым алфавитом является тот, в котором всего две буквы, два символа.
При кодировании текста для каждого его символа отводится обычно 1 байт. Именно по этой причине ячейка памяти в компьютере сделана так, что может хранить сразу восемь бит (1 байт), т. е. целый символ. Это позволяет использовать 2 8 = 256 различных символов, так как в ЭВМ надо кодировать все буквы: английские – 52 буквы (прописные и строчные), русские – 66 букв, 10 цифр, знаки препинания, арифметических операций и т. п.:
9) Хорошо видно, что если у числа разрядность равна n, то количество n-разрядных чисел равно 2 n:
13) Чтобы закодировать порядка 256 букв и символов, требуется использовать 8-разрядные числа.
Соответствие между символом и его кодом может быть выбрано совершенно произвольно. Однако на практике необходимо иметь возможность прочесть на одном компьютере текст, созданный на другом, поэтому таблицы кодировок стараются стандартизовать. Практически все использующиеся сейчас таблицы основаны на "американском стандартном коде обмена информацией" ASCII. Он определяет значения для нижней половины кодовой таблицы – первых 127 кодов (32 управляющих кода, основные знаки препинания и арифметические символы, цифры и латинские буквы). В результате, эти символы отображаются верно, какая бы кодировка не использовалась на конкретном компьютере. Хуже обстоит дело с национальными символами и типографскими знаками препинания. А особенно не повезло языкам, использующим кириллицу (русскому, украинскому, белорусскому, болгарскому и т. д.).
Например, для русского языка сейчас широко используются пять таблиц кодировок:
CP866 (альтернативная DOS) – на PC-совместимых компьютерах при работе с операционными системами DOS и OS/2, а также в любительской международной сети Фидо (Fidonet);
CP1251 (Windows-кодировка) – на PC-совместимых компью-терах при работе под Windows 3.1 и Windows 95;
KOI-8r – самая старая из использующихся до сих пор кодировок. Применяется на компьютерах, работающих под UNIX, является фактическим стандартом для русских текстов в сети Internet;
Macintosh Cyrillic – предназначена для работы со всеми кириллическими языками на Макинтошах.
ISO-8859. Эта кодировка задумывалась как международный стандарт для кириллицы, однако на территории России практически не применяется.
14) Сейчас, когда объем памяти компьютеров чрезвычайно вырос, уже нет необходимости очень сильно "экономить" при кодировании текста. Можно позволить себе роскошь "тратить" для хранения текста вдвое больше памяти (выделяя для каждого символа не 1, а 2 байт). При этом появляется возможность разместить в кодовой таблице – каждый на своем месте – не только буквы европейских алфавитов (латинского, кириллицы, греческого), но и буквы арабского, грузинского и многих других языков и даже большую часть японских и китайских иероглифов, поскольку два байта могут хранить число от 0 до 65 535. Двухбайтная международная кодировка Unicode, разработанная несколько лет назад, теперь начинает внедряться на практике. В компьютере все составные части соединяются между собой с помощью шины (магистрали), т. е. пучка проводов.
15) Теперь нам должно стать понятно, почему шина содержит 8, 16 или 32 провода. Если в шине 8 проводов, то по ней можно передать одновременно 8 бит, т. е. 1 байт (1 символ) информации. Такой компьютер называется восьмиразрядным, (первые персональные компьютеры IBM).
16) Если в шине 16 проводов, то по ней можно передать одновременно 2 байт информации; если 32 провода – 4 байт, если 64 провода – 8 байт.
18) 1.5.3. Два способа кодирования изображения
Изображение на экране компьютера (или при печати с по-мощью принтера) составляется из маленьких точек – пикселов. Их так много, и они настолько малы, что человеческий глаз воспринимает картинку как непрерывную. Следовательно, качество изображения будет тем выше, чем плотнее расположены пиксели (т. е. чем больше разрешение устройства вывода) и точнее закодирован цвет каждого из них.
В простейшем случае каждый пиксел может быть или черным, или белым. Значит, для его кодирования достаточно одного бита. Однако при этом полутона приходится имитировать, чередуя черные и белые пиксели (заметим, что примерно так формируют полутоновое изображение на принтерах и при типографской печати). Чтобы получить реальные полутона, для хранения каждого пикселя нужно отводить большее количество разрядов. В этом случае черный цвет по-прежнему будет представлен нулем, а белый – максимально возможным числом. Например, при восьмибитном кодировании получится 256 разных значений яркости – 256 полутонов.
Сложнее обстоит дело с цветными изображениями, так как здесь нужно закодировать не только яркость, но и оттенок пикселя. Изображение на мониторе формируется путем сложения в различных пропорциях трех основных цветов: красного, зеленого и синего. Значит просто нам нужно хранить информацию о яркости каждой из этих составляющих.
Для получения наивысшей точности цветопередачи достаточно иметь по 256 значений для каждого из основных цветов (вместе это дает 256 3 – более 16 млн. оттенков). Во многих случаях можно обойтись несколько меньшей точностью цветопередачи. Если использовать для представления каждой составляющей по 5 бит (тогда для хранения данных пикселя будет нужно не 3, а 2 байт), удастся закодировать 32 768 оттенков.
На практике встречаются (и нередко) ситуации, когда гораздо важнее не идеальная точность, а минимальный размер файла: бывают изображения, где изначально используется небольшое количество цветов. В этих случаях поступают так: собирают все нужные оттенки в таблицу и нумеруют, после чего хранят уже не полный код цвета каждого пикселя, а номера (индексы) цветов в таблице. Чаще всего используют 256-цветные таблицы. В разных компьютерах могут быть приняты разные стандартные таблицы цветов, поэтому не исключено, что открыв полученный от кого-нибудь графический файл, можно увидеть совершенно немыслимую картинку.
При печати на бумаге используется несколько иная цветовая модель: если монитор испускает свет, то оттенок получается в результате сложения цветов, а краски поглощают свет – цвета вычитаются. Поэтому в качестве основных используют голубую, сиреневую и желтую краски. Кроме того, из-за неидеальности красителей к ним обычно добавляют четвертую краску – черную. Для хранения информации о каждой краске чаще всего используют 1 байт.
Растровые изображения очень хорошо передают реальные образы. Они замечательно подходят для фотографий, картин и в случаях, когда требуется максимальная "естественность". Такие изображения легко выводить на монитор или принтер, поскольку эти устройства тоже основаны на растровом принципе. Однако есть у них и ряд недостатков. Растровое изображение высокого качества (с высоким разрешением и большой глубиной цвета) может занимать десятки, и даже сотни мегабайт памяти. Для их обработки нужны мощные компьютеры, но и они нередко "задумываются" на десятки минут. Любое изменение размеров неизбежно приводит к ухудшению качества: при увеличении пикселы не могут появиться "из ничего", при уменьшении – часть пикселов будет просто выброшена.
Есть другой способ представления изображений – объектная (векторная) графика. В этом случае в памяти хранится не сам рисунок, а правила его построения, т. е., например, не все пикселы круга, а команда "построить круг радиусом 30 с центром в точке с координатами (50, 135) и закрасить его красным цветом". Быстродействия современных компьютеров вполне достаточно, чтобы перерисовка происходила почти мгновенно.
На первый взгляд, все становится гораздо более сложным. Зачем же это нужно? Во-первых, и это самое главное, векторное изображение можно как угодно масштабировать, выводить на устройства, имеющие любое разрешение, – и всегда будет получаться результат с наивысшим для данного устройства качеством, ведь картинка каждый раз "рисуется" заново, используя столько пикселов, сколько возможно.
Во-вторых, в векторном изображении все части (так называемые "примитивы") могут быть изменены независимо друг от друга: любой из них можно увеличить, повернуть, деформировать, перекрасить, даже стереть, но остальных объектов это никоим образом не коснется.
В-третьих, даже очень сложные векторные рисунки, содержащие тысячи объектов, редко занимают более нескольких сотен килобайт, т. е. в десятки, сотни, а то и тысячи раз меньше аналогичного растрового.
Но почему, если все так хорошо, векторная графика не вытеснила растровую? Сам принцип ее формирования предполагает использование объектов с исключительно ровными четкими границами, а это сразу выдает их искусственность, поэтому область применения векторной графики довольно ограничена – это чертежи, схемы, стилизованные рисунки, эмблемы и другие подобные изображения.
Вычислительной техники, а также принципы функционирования этих средств и методы управления ими. Из этого определения видно, что информатика очень близка к технологии, поэтому ее предмет нередко называют информационной технологией. Предмет информатики составляют следующие понятия: а) аппаратное обеспечение средств вычислительной техники; б) программное обеспечение средств вычислительной техники...
... » (Zero Administration Initiative), которая будет реализована во всех следующих версиях Windows. SMS- сервер управления системами У SMS две задачи - централизовать управление сетью и упростить распространение программного обеспечения и его модернизацию на клиентских системах. SMS подойдет и малой, и большой сети - это инструмент управления сетью на базе Windows NT, эффективно использующий...
Кодирование запросных и ответных сигналов является важной особенностью систем опознавания, которая определяет принципы их построения и функционирования. Необходимость кодирования сигналов в системах САЗО обусловлена следующими причинами:
1) Коды запросных сигналов содержат требования к характеру выдаваемой информации ответчиков, а ответных сигналов – информацию о параметрах воздушного объекта;
2) Кодирование запросных сигналов повышает надежность работы линий опознавания, так как снижает вероятность ошибочного запуска ответчиков помехами;
3) Кодирование запросных и ответных сигналов повышает имитоустойчивость системы опознавания.
С целью приспособления формы информации к линии САЗО как каналу связи, информацию представляют в виде сообщений, построенных по определенному правилу (коду). Сообщение состоит из одного или нескольких слов. Каждое слово представляет собой конечную последовательность кодовых знаков (символов). Под кодовым знаком понимают условное обозначение элементарного сигнала, обладающего определенными параметрами. Количество различных символов, которые используются в словах данного кода, называют основанием кода.
Элементарные сигналы формируются путем изменения таких их параметров, как несущая частота, параметры амплитудной, частотной или фазовой модуляции, количество и временное положение сигналов и др.
Выбор того или иного кода зависит от количества различных сообщений N , которое нужно передавать по линии связи. При основании кода n и размерности слов l максимальное число различных сообщений N определяется выражением .
Чем больше основание n кода, тем больше можно передавать различных сообщений размерностью l . Но при большом основании кода ухудшается различимость его элементарных сигналов, усложняется построение кодирующих и декодирующих устройств. Поэтому во многих областях техники наибольшее распространение получили коды с основание два, которые называют двоичными кодами. В САЗО наряду с двоичным кодом и его разновидностями (импульсно-временным кодом (ИВК) и частотно-временным кодом (ЧВК)) применяется код амплитудно-модулированных импульсов (АМИ).
В двоичном коде каждый символ слова представляет собой один разряд двоичного числа, который принимает значение ноль или единица. В качестве элементарных сигналов в радиолиниях САЗО применяют радиоимпульсы определенной несущей частоты. Наличие элементарного сигнала на данной позиции – передача единицы в данном разряде, а отсутствие сигнала – передача нуля (рис.1.16, а). При использовании кода с активной паузой для передачи одного разряда применяются две позиции: одна для передачи единицы, вторая – для передачи нуля (рис.1.16, б). Код с активной паузой обладает избыточностью, но лучшей достоверностью передачи информации.
Отображение логических каналов на физические каналы осуществляется через процессы кодирования и шифрования передаваемых сообщений.
Для защиты логических каналов от ошибок, которые имеют место в процессе передачи, используют три вида кодирования: блочное - для быстрого обнаружения ошибок при приеме; сверхточное - для исправления одиночных ошибок; перемежение - для преобразования пакетов ошибок в одиночные.
Для защиты каналов от подслушивания в каналах связи и управления применяется шифрование.
Для передачи сообщений по физическим каналам используется гауссовская частотная манипуляция с минимальным частотным сдвигом (GMSK).
Модуляция радиосигнала
В стандарте GSM применяется спектрально-эффективная гауссовская частотная манипуляция с минимальным частотным сдвигом (GMSK). Манипуляция называется "гауссовской" потому, что последовательность информационных бит до модулятора проходит через фильтр нижних частот (ФНЧ) с характеристикой Гаусса, что дает значительное уменьшение полосы частот излучаемого радиосигнала. Формирование GMSK радиосигнала осуществляется таким образом, что на интервале одного информационного бита фаза несущей изменяется на 90°. Это наименьшее возможное изменение фазы, распознаваемое при данном типе модуляции. Непрерывное изменение фазы синусоидального сигнала дает в результате частотную модуляцию с дискретным изменением частоты. Применение фильтра Гаусса позволяет при дискретном изменении частоты получить "гладкие переходы". В стандарте GSM применяется GMSK-модуляция с величиной нормированной полосы ВТ - 0,3, где В - ширина полосы фильтра по уровню минус 3 дБ, Т - длительность одного бита цифрового сообщения. Основой формирователя GMSK-сигнала является квадратурный (1/Q) модулятор. Схема состоит из двух умножителей и одного сумматора. Задача этой схемы заключается в том, чтобы обеспечить непрерывную, очень точную фазовую модуляцию. Один умножитель изменяет амплитуду синусоидального, а второй косинусоидального колебания. Входной сигнал до умножителя разбивается на две квадратурные составляющие. Разложение происходит в двух обозначенных "sin" и "cos" блоках.
Модуляцию GMSK отличают следующие свойства, которые предпочтительны для подвижной связи:
постоянная по уровню огибающая, которая позволяет использовать эффективные передающие устройства с усилителями мощности в режиме класса С;
компактный спектр на выходе усилителя мощности передающего устройства, обеспечивающий низкий уровень внеполосного излучения;
хорошие характеристики помехоустойчивости канала связи.
КОДИРОВАНИЕ И ПЕРЕМЕЖЕНИЕ В КАНАЛАХ СВЯЗИ И УПРАВЛЕНИЯ СТАНДАРТА GSM
Общая структурная схема кодирования и перемежения в стандарте GSM
Для защиты от ошибок в радиоканалах подвижной связи GSM PLMN используются сверточное и блочное кодирование с перемежением. Перемежение обеспечивает преобразование пакетов ошибок в одиночные. Сверточное кодирование является мощным средством борьбы с одиночными ошибками. Блочное кодирование, главным образом, используется для обнаружения нескорректированных ошибок.
Блочный код (п, k, t) преобразует k информационных символов в п символов путем добавления символов четности (n-k), а также может корректировать t ошибок символов.
Сверточные коды (СК) относятся к классу непрерывных помехоустойчивых кодов. Одной из основных характеристик СК является величина К, которая называется длиной кодового ограничения, и показывает, на какое максимальное число выходных символов влияет данный информационный символ. Так как сложность декодирования СК по наиболее выгодному, с точки зрения реализации, алгоритму Витерби возрастает экспоненциально с увеличением длины кодового ограничения, то типовые значения К малы и лежат в интервале 3-10. Другой недостаток СК заключается в том, что они не могут обнаруживать ошибки. Поэтому в стандарте GSM для внешнего обнаружения ошибок используется блочный код на основе сверточного кода (2, 1, 5) со скоростью r=1/2. Наибольший выигрыш СК обеспечивает только при одиночных (случайных) ошибках в канале.
В каналах с замираниями, что имеет место в GSM PLMN, необходимо использовать СК совместно с перемежением.
В GSM PLMN основные свойства речевых каналов и каналов управления значительно отличаются друг от друга. Для речевых каналов необходима связь в реальном масштабе времени с короткими задержками при сравнительно низких требованиях к вероятности ошибки в канале. Для каналов управления требуется абсолютная целостность данных и обнаружения ошибок, но допускается более длительное время передачи и задержки.
В соответствии с общей структурой кадров в стандарте GSM передача информационных сообщений и сигналов управления осуществляется в нормальном временном интервале (NB) TDMA кадра. Структура NB (два пакета по 57 информационных бит каждый) требует, чтобы количество кодированных бит m, соответствующих n - некодированным битам в общей схеме кодирования и перемежения, равнялась бы целому числу, кратному 19. Затем эти биты зашифровываются и объединяются в I групп. Количество бит в этих группах также должно равняться 19, I групп переходят в I временных интервалов. Номер I называется степенью перемежения.
В различных логических каналах используются различные сверточные коды, поскольку скорости передачи и требования по защите от ошибок также различны. Для упрощения механизмов кодирования и декодирования для формирования кодов используются только несколько полиномов. Это позволяет использовать сверточный код с одной скоростью г=1/2. Однако, чтобы выполнить требования формирования полноскоростного канала связи, а также привести в соответствие структуру размещения бит со структурой кадров необходима скорость г=244/456=0,535. Для выравнивания скорости в речевом канале до г=1/2 применяют прореживание, то есть периодический пропуск некоторых кодированных символов. Такая операция называется перфорированием, а формируемые таким образом коды называются перфорированными. При приеме декодер, зная алгоритм прореживания, интерполирует принимаемые данные.
При передаче логического быстрого совмещенного канала управления FACCH перфорирование не используется.
Сверточное кодирование и перемежение в полноскоростном речевом канале
Речевой кодек передает каждые 260 бит информационной последовательности со скоростью 13 кбит/с на схему канального кодирования. Первые 182 бита этого кадра, называемые в стандарте GSM битами 1 класса, защищаются с помощью слабого блочного кода для обнаружения ошибок в приемнике.
Кодирование осуществляется следующим образом: биты класса 1 разделяются дополнительно на проверки на четность. Блочный код представляет собой укороченный систематический 50 бит класса 1а и 132 бита класса 1б. Биты класса 1а дополняются тремя битами циклический код (53, 50).
В соответствии с принятым правилом формирования систематического кода, ключ Sw закрыт на время первых пяти-десяти тактовых импульсов, а информационные биты, поступающие на вход кодирующего устройства, одновременно поступают на блок переупорядочения и формирования бит проверки на четность. После пятидесяти тактовых импульсов переключатель Sw срабатывает и биты проверки на четность поступают из кодирующего устройства. На этой стадии проводится первый шаг перемежения. Биты с четными индексами собираются в первой части информационного слова, за которыми следуют три бита проверки на четность. Затем биты с нечетными индексами запоминаются в буферной памяти и переставляются. Далее следуют четыре нулевых бита, которые необходимы для работы кодера, формирующего код, исправляющий случайные ошибки в канале. После чего 189 бит класса 1 кодируются сверточным кодом (2,1,5) со скоростью г=1/2.
После сверточного кодирования общая длина кадра составляет 2х189+78=456 бит. После этого кадр из 456 бит делится на восемь 57 битовых подблоков, которые подвергаются диагональному и внутрикадровому перемежению. Более точно подблоки В0 и В4 формируются в пакеты по 114 бит, которые являются результатом блочно-диагонального перемежения (DI/B). Биты В0 и В4 подблоков попарно перемежаются, образуя процесс внутрикадрового битового перемежения (IBI/B). В результирующий пакет включены два опережающих флага h1, h0, которые используются для классификации различных пакетов передачи.
Кодирование и перемежение в полноскоростном канале
передачи данных
Для повышения эффективности применения сверточного кодирования в полноскоростных каналах передачи данных необходим длительный период перемежения. В этих каналах внутрикадровое перемежение (IВI/В) реализуется для степени перемежения I=19, что приводит к задержке передачи данных на 19х116=2204 бит. Если биты I-го пакета (временного интервала) до перемежения обозначить как С (Km), m=1...116, то схема перемежения, то есть позиции бит после перемежения, определяются следующей формулой:
I (К + j,j + 19t) = С (К, т) для всех К j = m mod 19, t = m mod 6.
