Modulación delta en el procesamiento de señales digitales. Módulo de compresión de señales de voz para central telefónica digital. Conversión de señal con modulación delta.

Transmisión mensajes discretos vía AM, FM o FM (OFM) se suele realizar señales simples, cuya base v=2 TF (2.1) no excede de varias unidades. Estas señales son de banda estrecha, ya que el ancho del espectro señal transmitida F es igual en orden de magnitud al ancho del espectro de la señal original (donde t- duración de una señal original). Sin embargo, actualmente se utilizan sistemas que utilizan señales complejas de banda ancha. Con base de varios cientos o incluso miles y con un ancho de espectro F>> fm. Una de las formas de ampliar el espectro de la señal transmitida es hacer coincidir la señal original. señal compleja, consistente en gran número norte señales elementales con una duración Desde entonces la base de la señal transmitida v= 2 TF= norte>>1. Hay otras formas de formar señales de banda ancha, basado en el uso de tipos especiales de modulación. Las principales ventajas de las señales de banda ancha que provocan un mayor interés en ellas en últimos años, son que tales señales permiten combatir eficazmente la influencia de las interferencias multitrayectorias y concentradas en el espectro. En canales multitrayecto, donde la señal resultante en el lugar de recepción es la suma de las señales de los haces individuales (5.74), además del desvanecimiento general causado por la interferencia de estos haces, también es posible la interferencia entre símbolos. Consiste en el hecho de que debido al gran retraso de los rayos entre sí, las señales de los símbolos vecinos se superponen. Si estos símbolos son diferentes y el retraso es del mismo orden de magnitud que la duración de las señales correspondientes, entonces son posibles distorsiones significativas que reducen la inmunidad al ruido de la comunicación. Expliquemos esto usando el ejemplo de un sistema binario, cuyo dispositivo receptor consta de dos filtros adaptados y un circuito de decisión (ver Fig. 5.7). Recordemos que voltaje de salida El filtro adaptado, condicionado por la señal útil recibida, es la función de autocorrelación de la señal. Por lo tanto, la duración de la señal de salida está determinada por el intervalo de correlación de la señal, que es aproximadamente igual a For. señales de banda estrecha y la duración del voltaje de salida es del mismo orden que la duración mensaje elemental . En la figura. La figura 8.10.a muestra, a modo de ejemplo, las envolventes de tensión a la salida de filtros acoplados al recibir la secuencia binaria 1011, cuando la señal es de banda estrecha y está formada por tres haces. Líneas sólidas voltajes correspondientes a primer rayo, y la línea de puntos muestra los voltajes relacionados con los otros dos haces. De la figura se desprende claramente que en el momento de contar valor máximo voltajes del primer haz en el filtro opuesto hay voltajes de otros haces. Se produce una superposición de señales que llegan al dispositivo de decisión simultáneamente desde dos filtros y la probabilidad de error aumenta considerablemente. Esta circunstancia limita la velocidad de transferencia de información, ya que para funcionamiento normal es necesario que la duración del elemento del mensaje t era muchas veces mayor que el retraso máximo de los rayos entre sí

Arroz. 8.10. Respuestas a la salida de filtros coincidentes en sistema binario: banda estrecha multihaz (A) y banda ancha (b) señales

Un panorama diferente se observa en el caso de las señales de banda ancha, cuando v>>1 Y<<t (Figura 8.106). Las señales de salida en este caso no se superponen si . < t. Esta condición es menos estricta y, por lo tanto, es posible aumentar significativamente la velocidad de operación en comparación con los sistemas de banda estrecha. La división de haces en sistemas de banda ancha elimina la interferencia entre ellos, es decir, una de las causas del desvanecimiento de la señal. Además, aquí es posible, mediante un procesamiento adicional, sumar todos los rayos separados y

por lo tanto, utilice trayectorias múltiples para mejorar la inmunidad al ruido. F, Consideremos el funcionamiento de sistemas con señales de banda ancha bajo la influencia de ruido aditivo. A primera vista, el uso de señales de banda ancha parece inapropiado, ya que conduce a un aumento de la potencia de interferencia en la banda de la señal y aumenta la probabilidad de interferencia mutua entre señales adyacentes en el espectro. Sin embargo, esto no es del todo cierto. Con una recepción óptima de mensajes discretos, la inmunidad al ruido en un canal con ruido gaussiano, como se sabe, está determinada únicamente por la relación entre la energía de la señal y la densidad espectral de la interferencia, es decir, no depende del ancho del espectro de la señal. En consecuencia, la inmunidad al ruido de los sistemas de banda estrecha y de banda ancha bajo interferencia de fluctuaciones es la misma. Si la recepción se realiza utilizando un filtro adaptado a una señal de banda ancha que tiene un espectro uniforme en la banda luego de acuerdo con (4.35) el coeficiente de transmisión del filtro(k) F F se puede tomar igual a 1 en la tira luego de acuerdo con (4.35) el coeficiente de transmisión del filtro(k)=0 en otras frecuencias. Luego, de acuerdo con (4.34), la relación entre las potencias de señal y ruido en la salida del filtro adaptado

(8.16)

lo cual coincide con la expresión (4.3). La ganancia obtenida en este caso es n veces debido al hecho de que aquí, al igual que con la acumulación síncrona (ver § 4.2), como resultado del procesamiento de una señal compleja y ruido en un filtro adaptado, todos pag- Las señales elementales se suman mediante voltaje y las interferencias, mediante potencia.

Cuando se expone a interferencias concentradas en el espectro, y dicha interferencia es cualquier señal de banda estrecha ubicada en la banda F, Todos los componentes espectrales de la interferencia pasarán a la salida del filtro adaptado. Por lo tanto, sustituyendo en (8.16), en lugar de rsh poder de interferencia concentrado Rp, obtenemos

Si en el espectro de la señal hay metro interferencia concentrada independiente, entonces, obviamente,

(8.17)

De ello se deduce que la relación señal-ruido, en igualdad de condiciones, es directamente proporcional al ancho del espectro de la señal. F. Por tanto, las señales de banda ancha pueden combatir más eficazmente la interferencia concentrada en el espectro que las señales de banda estrecha. metro Aquí, por supuesto, hay que tener en cuenta que si, debido a un aumento F, la potencia de interferencia total aumenta proporcionalmente

entonces expandir el espectro de la señal ganadora no da norte Las ventajas de los sistemas de comunicación de banda ancha se revelan más claramente cuando se formula de manera más general la cuestión de las influencias mutuas entre las señales. En algunos casos, la transmisión de información a través de canales de radio resulta difícil debido a la alta congestión de los rangos de frecuencia utilizados. En condiciones reales, hay que tener en cuenta la inevitable, por diversas razones, violación de la regulación de las frecuencias asignadas para cada señal. A menudo se produce una transmisión simultánea de señales con espectros que se superponen entre sí. El caso límite es la situación en la que no existe ninguna regulación de frecuencia. Supongamos que en el rango de frecuencia la transmisión simultánea norte señales de banda estrecha, cada una de las cuales puede ubicarse en cualquier lugar del rango con la misma probabilidad. En estas condiciones, calculemos la relación señal-interferencia al transmitir una señal adicional de banda estrecha o banda ancha. Para simplificar, asumiremos que todo Las señales de banda estrecha tienen la misma potencia. PR

y tienen la misma banda de frecuencia F, Con un espectro energético uniforme. Si el espectro de la señal de banda estrecha recibida, cuyo ancho de banda también es igual a luego de acuerdo con (4.35) el coeficiente de transmisión del filtro señales de interferencia, entonces la relación señal/ruido a la salida del filtro adaptado de acuerdo con 1(8.17) será igual a:

Por condición, todos los valores. luego de acuerdo con (4.35) el coeficiente de transmisión del filtro Además, el grado de superposición de los espectros de las señales útiles y de las posibles señales perturbadoras se encuentra dentro de los límites de la potencia perturbadora, por lo que la potencia perturbadora es una variable aleatoria continua. Por tanto, la relación es aleatoria y se encuentra en el intervalo

(8.18)

Arroz. 8.11. Distribuciones acumuladas de la relación señal-ruido en sistemas con señales de banda ancha y banda estrecha

Distribución acumulativa, es decir, la probabilidad de que no supere un determinado valor. q descrito por una relación continua En arroz. La figura 8.11 muestra un gráfico de ejemplo de esta función para (8.18).

Calculemos ahora la relación qw,, si, en las mismas condiciones, en lugar de una señal útil de banda estrecha, se transmite una señal de banda ancha. Supondremos que su espectro ocupa uniformemente todo el rango, es decir F = FD. Según (8.17) en este caso la relación qw es un valor constante

y la distribución integral cambia abruptamente en. Gráfica de esta distribución para Рс=PAGPAG también se muestra en la Fig. 8.11. A partir de una comparación de distribuciones y qw de ello se deduce que existe una cierta probabilidad de valores que sean menores qw0. Dado que la mayor parte de los errores ocurren con relaciones señal-ruido bajas, en condiciones de carga de alto rango, cuando la probabilidad es suficientemente grande, la transmisión de información mediante una señal de banda estrecha tiene, en promedio, una menor inmunidad al ruido en comparación con la transmisión mediante una señal de banda ancha. FD Surge la pregunta: ¿qué pasará si todas las estaciones transmiten información utilizando señales de banda ancha? Deja entrar el rango de frecuencia. norte se colocan F= FD señales de banda ancha completamente superpuestas, cada una con un ancho espectral y poder Rs.

(8.19)

Si en estas condiciones se transmite otra señal similar, entonces la relación señal-ruido en la salida del filtro adaptado de acuerdo con (8.16) será igual a:

¿Dónde está el espectro de energía de las señales? qw Por lo tanto, aquí la distribución acumulativa t también tiene la forma de un salto como se muestra en la Fig. 8.11. De esto se deduce que la interferencia mutua cuando se utilizan señales de banda ancha en bandas ocupadas es menos peligrosa que cuando se transmiten señales de banda estrecha. Es interesante observar que, a pesar de la completa superposición de los espectros, la elección adecuada de la duración de la señal

Las señales de banda ancha tienen una densidad espectral relativamente baja, que en algunos casos puede ser incluso menor que la densidad del ruido.

Esta característica permite la transmisión encubierta de señales de banda ancha, además de minimizar su efecto de interferencia en las señales de banda estrecha.

Introducción

Los métodos de transmisión de banda ancha se utilizaron por primera vez al final de la Segunda Guerra Mundial en sistemas de radio militares para proporcionar una extensión de alto alcance y combatir la interferencia deliberada del enemigo. Por el momento, estos métodos se han mejorado y se han eliminado muchas deficiencias. Los sistemas con NLS (señales similares a ruido) se están generalizando cada vez más debido a sus cualidades, tales como: inmunidad al ruido bajo la influencia de interferencias potentes y direccionamiento por código de un gran número de suscriptores y su separación de códigos cuando funcionan simultáneamente en una banda de frecuencia común. .

Sistemas de comunicación de banda ancha. Su finalidad y características.

Sistema de banda ancha: un sistema cuya señal transmitida ocupa una banda de frecuencia muy amplia, superando significativamente el ancho de banda de frecuencia mínimo que realmente se requiere para transmitir información. De hecho, un carácter está representado por una secuencia de código larga, lo que le permite trabajar con un alto nivel de ruido, porque incluso si parte de esta secuencia está distorsionada por el ruido, se puede restaurar en el lado receptor.

El ejemplo más famoso de modulación de banda ancha es la modulación de frecuencia convencional con un índice de modulación mayor que uno. El ancho de banda ocupado por una señal de FM es función no sólo del ancho de banda de la señal de información, sino también de la “profundidad” de la modulación. En todos los sistemas de banda ancha, las ganancias en la relación entre potencia de señal y potencia de ruido se logran mediante el proceso de modulación y demodulación. Para señales de FM, la SNR en la salida del demodulador es:

¿Dónde está el valor máximo del índice de modulación de frecuencia?

SNR en la banda base o en la banda de señal de información, donde S es la potencia de la señal; N - potencia de ruido.

La FM de banda ancha puede considerarse un método de transmisión de banda ancha porque el espectro de alta frecuencia resultante (espectro de radiofrecuencia) tiene un ancho significativamente mayor que el ancho del espectro de frecuencia ocupado por la señal de información.

1. Modulación de la portadora mediante una secuencia de código digital con una tasa de repetición de símbolos muchas veces mayor que el ancho de banda de la señal de información. Estos sistemas se denominan sistemas con una señal pseudoaleatoria de una sola frecuencia.

2. Modulación cambiando (desplazando) la frecuencia portadora en tiempos discretos en una cierta cantidad, cuyo valor está especificado por la secuencia de códigos. Estos cambios de frecuencia se denominan "saltos de frecuencia". En este caso, en el transmisor se producen transiciones instantáneas de una frecuencia a otra, cada una de las cuales se selecciona de un determinado conjunto predeterminado, y el orden de uso de las frecuencias está determinado por la secuencia de códigos.

3. Pulsos de FM lineales, como resultado de lo cual la frecuencia portadora cambia en una amplia banda de frecuencia en un tiempo igual a la duración del pulso.

El método de transmisión de banda ancha fue descubierto por K. E. Shannon, quien fue el primero en introducir el concepto de capacidad del canal:

donde C es el rendimiento, bit/s; W - ancho de banda, Hz; S - potencia de la señal; N - potencia de ruido.

Esta ecuación establece una conexión entre la posibilidad de transmisión de información sin errores a través de un canal con una SNR determinada y la banda de frecuencia asignada para transmitir información.

Para cualquier SNR dada, se obtiene una tasa de error de transmisión baja aumentando el ancho de banda de frecuencia asignado para la transmisión de información.

Cabe señalar que la propia información se puede introducir en la señal de banda ancha de varias formas. El método más conocido consiste en superponer información sobre una moduladora de banda ancha (Fig. 1).

Fig.1. Diagrama de bloques de un sistema con señales pseudoaleatorias de una sola frecuencia y formas de onda en varios puntos.

La secuencia de código antes de modular la portadora para obtener una señal de banda ancha. Este método es adecuado para cualquier sistema de banda ancha que utilice una secuencia de código para ensanchar el espectro de una señal de alta frecuencia (sistemas con señales pseudoaleatorias de frecuencia única y multifrecuencia). Obviamente, la información transmitida en este caso debe representarse en alguna forma digital, ya que la imposición de información en una secuencia de código binario generalmente se realiza en forma de una operación de suma de módulo 2. En otra realización, la información no se puede utilizar directamente. Modula la “portadora” antes de expandir el espectro. En este caso, se suele utilizar uno de los tipos de modulación angular, ya que en la mayoría de los casos es deseable que los sistemas de banda ancha tengan una envolvente constante de la señal de alta frecuencia de salida.

Cabe señalar algunas propiedades de los sistemas de banda ancha:

Capacidad de direccionamiento selectivo; Posibilidad de multiplexación por división de código para sistemas de acceso múltiple; asegurar la transmisión encubierta mediante el uso de señales con baja densidad espectral de potencia; dificultad para descifrar mensajes al escuchar; alta resolución en mediciones de rango; inmunidad al ruido.

Sin embargo, es imposible que un sistema posea simultáneamente todas las propiedades anteriores. Por ejemplo, es difícil esperar que una señal con buen secreto pueda recibirse simultáneamente en un contexto de intensa interferencia. Sin embargo, el sistema podría satisfacer ambos requisitos utilizando un modo de transmisión de baja potencia cuando se requiere sigilo y un modo de transmisión de alta potencia para suprimir la interferencia.

Actualmente, para combatir el desvanecimiento selectivo y el multitrayecto (señales de eco), se utilizan NPS en serie con símbolos de la misma frecuencia y NPS en paralelo con símbolos de diferentes frecuencias. La formación del primero de los NPS mencionados se consigue manipulando la fase de los símbolos. norte-secuencia M valorada. El segundo de los NPS utilizados se compone de señales elementales que forman un conjunto de funciones ortogonales durante un intervalo de tiempo igual a la duración del elemento de señal (por ejemplo, oscilaciones armónicas ortogonales, polinomios de Hermite, etc.).

Físicamente, la eficacia del uso de SPS para combatir la decoloración se puede explicar de la siguiente manera. En primer lugar, debido al hecho de que la energía NBS se distribuye en un amplio rango de frecuencias, el desvanecimiento no correlacionado en partes individuales del espectro (desvanecimiento selectivo) no puede afectar significativamente la recepción de toda la señal en su conjunto. Aquí podemos establecer una cierta analogía con la recepción por diversidad de frecuencia. En segundo lugar, es posible seleccionar solo uno de los haces entrantes en el dispositivo receptor, ya que, como se sabe, los NPS tienen un pico pronunciado en la función de autocorrelación (Fig. 2.31). Este método más radical para eliminar la interferencia entre haces entrantes, es decir, el desvanecimiento selectivo y los fenómenos de eco, se puede implementar si la duración de los pulsos en la salida del dispositivo receptor es menor que el tiempo mínimo de retardo mutuo de los haces (< ). Данное условие легко выполняется правильным выбором базы ШПС. В-третьих, из возможности селекции только одного луча логично вытекает принципиальная возможность раздельного приема всех лучей.

Una condición adicional para resolver este problema, además de lo señalado anteriormente (< ), 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 .

El principio de construcción de un sistema de comunicación de banda ancha se ilustra en la Fig. 5.6. La señal primaria de banda estrecha con un amplio espectro se suministra al mezclador, donde también se suministran oscilaciones con una banda de frecuencia desde un generador de señal de banda ancha (WGS). Con ello se consigue la formación de una red de banda ancha, que modula la frecuencia portadora del transmisor (TCF). El ancho del espectro de la señal transmitida está determinado por la banda de frecuencia.

En el lado receptor se producen transformaciones inversas. Para el funcionamiento normal del sistema, los generadores de señales de banda ancha de los dispositivos transmisores y receptores deben ser idénticos y deben funcionar de forma sincrónica y en fase. Un paso necesario en el procesamiento de la señal recibida es su paso a través de un correlador o de un filtro adaptado (MF), como se muestra en la Fig. 5.6. El aislamiento del máximo principal de la función de autocorrelación se realiza mediante un solucionador (DS). En un sistema de comunicación binario, decide recibir una señal de envío o una señal de pausa.

Los sistemas de comunicación de banda ancha son un medio radical para combatir no sólo el desvanecimiento. Proporcionan un combate eficaz contra las interferencias pulsadas y concentradas de aditivos al tiempo que mantienen la resistencia a las interferencias de fluctuación. En efecto, si la entrada de un receptor de señales de banda ancha con una banda recibe señales de banda ancha con una potencia rs, potencia de interferencia concentrada (por ejemplo, de una estación de radio de banda estrecha) y ruido de fluctuación con densidad espectral, entonces la relación señal-interferencia en la entrada del receptor es

(5.13)

A medida que aumenta el efecto de interferencia de la interferencia concentrada, disminuye y tiende a .

La interferencia creada por NPS en sistemas de banda estrecha es de naturaleza similar al ruido de fluctuación y su influencia es inversamente proporcional a la relación , donde es el ancho del espectro de la señal de banda estrecha. Esto determina la posibilidad de operación conjunta de sistemas de radiocomunicación de banda ancha y banda estrecha.

Como resultado del procesamiento NPS en el dispositivo receptor, la relación señal-ruido en la salida del correlador (filtro adaptado) aumenta según la teoría de la inmunidad potencial al ruido en proporción a la base de la señal. EN:

Entonces, aumentando EN para un determinado , es posible transmitir información en el caso de , lo que dificulta la recepción de ShPS si se desconoce su forma y aumenta el secreto energético de la comunicación. Finalmente, los sistemas de comunicación de banda ancha proporcionan transmisión de información por multidifusión en una banda de frecuencia más estrecha que cuando se utilizan señales de banda estrecha y el mismo número de corresponsales.

MÉTODO DE COMUNICACIÓN INTERMITENTE

En los últimos años, se ha prestado cada vez más atención a los sistemas de comunicación intermitente que proporcionan una mayor fidelidad y velocidad media de transmisión de información a través de canales de radio.

Cuando se utiliza la dispersión troposférica e ionosférica de ondas de radio para comunicaciones de larga distancia en ciertos intervalos de tiempo, debido a las malas condiciones de su propagación, ningún método de recepción garantiza la obtención de una señal resultante por encima del nivel requerido para la recepción normal. El método más eficaz para transmitir información en tales casos es el método de comunicación intermitente. En un sistema de comunicación intermitente, la información se transmite solo durante aquellos períodos de tiempo durante los cuales se garantiza una recepción confiable de las señales.

El método se basa en el uso de un canal de comunicación inverso, que proporciona una evaluación de las condiciones de propagación de las ondas de radio. Antes del inicio de la siguiente sesión de comunicación, se emite una señal de sondeo y la información se acumula en el extremo transmisor en un dispositivo de almacenamiento. Cuando la relación señal-interferencia en el punto de recepción supera un cierto valor umbral, se envía un comando especial a través del canal inverso para transmitir la información acumulada, que se "dispara", es decir, se transmite a una velocidad muchas veces mayor. que la velocidad de transmisión en sistemas de comunicación continua. Cuando el nivel de la señal disminuye, el punto receptor interrumpe la transmisión de información con un comando especial, tras lo cual la señal de sondeo comienza a emitirse nuevamente, etc.