Материал: Основы теории радиосистем передачи информации. учебное пособие. Журавлёв Д.В

Эффект от применения электротехнических методов основывается на знании и использовании законов электротехники и теории связи. Это, в первую очередь, относится к улучшению амплитудных и фазовых характеристик каналов и увеличению отношения мощности сигнала к мощности помехи.

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) в равной мере влияет на аналоговые и дискретные сигналы, снижая уровень по­лезного сигнала на приеме. Фазочастотная характеристика (ФЧХ) на передачу аналоговых сигналов влияет мало, так как человечес­кое ухо не восприимчиво к фазовым сдвигам. Неидеальность ФЧХ значительно влияет на дискретные сигналы, так как при этом из­меняется форма принимаемых импульсов, а следовательно, появ­ляются краевые искажения.

Рис. 3. Методы защиты от ошибок

Оптимальный выбор отношения мощности сигнала Рс к мощ­ности помехи Рп влияет на пропускную способность канала и, как показал Шеннон, она определяется выражением, бит/с

(8)

Однако увеличивать мощность сигнала можно до определенно­го предела, обусловленного нормами взаимного влияния цепей.

Различной помехоустойчивостью, как было показано выше, обладают и разные виды дискретной модуляции. При модуляции на постоянном токе ДПМ имеет преимущество перед ОПМ, а при использовании в качестве переносчика переменного тока большей помехоустойчивостью обладает ФМ по сравнению с AM и ЧМ. Выбор наиболее помехоустойчивого вида модуляции в той или иной ситуации даст положительный эффект.

Альтернативным решением в части помехоустойчивости яв­ляется и выбор типа оконечного устройства. В этом случае сле­дует ориентироваться на значение исправляющей способности приемников. У электронных аппаратов исправляющая способ­ность в 1,4—1,5 раза выше, чем у электромеханических. Вне за­висимости от типа у синхронных аппаратов исправляющая спо­собность выше, чем у стартстопных. Следовательно, при одном и том же уровне помех электронные синхронные аппараты обес­печат меньшую вероятность ошибки, чем электромеханические стартстопные.

Возможности этой разновидности мер также ограничены. Они позволяют повысить верность передачи в 5—7 раз. Однако, несмот­ря на кажущийся малый эффект, пренебрегать первой группой методов не следует.

Вторая группа методов предусматривает введение логической избыточности в передаваемые сообщения (активные методы). Они, в свою очередь, также имеют две разновидности. Во-первых, это статические методы защиты от ошибок, в которых вносимая логическая избыточность остается постоянной вне зависимости от помехоактивности канала. К ним относится метод многоразовой передачи, избыточность которого определяется заранее обусловленным количеством повторений и применением корректирующих кодов, каждый из которых имеет постоянную избыточность, обусловливающую его уникальные свойства. С увеличением избыточности повышается помехоустойчивость. Однако ни увеличивать число повторений, ни заменять корректирующий код с изменением условий прохождения сигналов по каналам оперативно нельзя.

Динамические методы позволяют изменять избыточность в процессе передачи в соответствии с изменением помехоактивности канала. Это адаптивные методы, позволяющие оперативно приспосабливаться к условиям прохождения сигналов. Они реализуются системами с обратной связью и требуют для своей реализации наличия двустороннего канала.

В свою очередь, системы с обратной связью представлены тремя разновидностями. Это системы с информационной обратной связью (НОС), решающей обратной связью (РОС), комбинированной обратной связью (КОС).

Методы второй группы являются наиболее действенными в борьбе с помехами и позволяют повысить верность передачи теоретически в неограниченное число раз.

3. Метод многоразовой передачи

Простейшим из методов второй группы является метод многоразовой (повторной, многократной) передачи. Он был предложен Верданом в 1932 г. в Германии и применялся для телеграфной передачи.

Суть его заключается в том, что одна и та же информация передается нечетное число (3, 5, 7,...) раз без изменения. Решение о принятом символе выносится голосованием (рис. 4).

Несмотря на то, что при передаче некоторых символов при трехкратном повторении в разных сеансах имелись ошибки (на рис. 4 они выделены жирным шрифтом), окончательное решение ошибочных символов не имеет. Решение о виде символа принимается в случае, когда все 3 раза символ выглядит одинаково или когда он появляется в двух случаях из трех.

Этот метод очень прост, с точки зрения технической реализации, не требует применения специальной аппаратуры. При использовании кода МТК-2 (n = 5) и частности ошибки в канале при трехкратном повторении верность передачи можно повысить в 7 раз. При тех же условиях и пятикратном повторении верность увеличивается в 21 раз. Однако и в том, и в другом случаях время передачи возрастает соответственно в 3 и 5 раз, что является недостатком метода многоразовой передачи.

Рис. 4. Решение о принятом символе

Для устранения потерь во времени был предложен метод одноразовой передачи одновременно по нескольким каналам, желательно пространственно разнесенным. Однако и он не нашел широкого распространения из-за значительных затрат на каналы.

На сегодня метод многократной передачи и его разновидности в чистом виде не находят практического применения. Однако идея многократной передачи в сочетании с другими методами оказалась плодотворной и нашла применение в системах с обратной связью.

4. Нормы на характеристики канала тональной частоты

Чтобы обеспечить требуемую верность передачи дискретной информации, необходимо выработать нормы на источник ошибок — главным образом, на канал связи.

Стандартный канал тональной частоты (ТЧ), как основной для передачи любого вида информации (аналоговая, дискретная), должен удовлетворять всем нормам МСЭ-Т, а для передачи дискретных сигналов — дополнительным нормам на импульсные помехи, кратковременные перерывы, фазовые искажения. Это объясняется чувствительностью импульсных сигналов к такому роду характеристик.

Кратковременные перерывы и импульсные помехи при телефонной передаче могут вызвать щелчки и треск в микротелефоне, а при телеграфной передаче — привести к неверному определению значащей позиции импульса, т.е. к ошибке. Фазовый сдвиг составляющих сигнала при передаче речи не ощущается человеческим ухом, а при телеграфной передаче неодинаковость времени запаздывания отдельных частотных составляющих нарушает прямоугольность импульса и является причиной появления характеристических искажений. Вот почему при передаче дискретных сигналов по каналу ТЧ устанавливают специальные нормы на указанные его характеристики.

При кратковременных прерываниях канала (до 300 мс) доля времени, в течение которого уровень снижен более чем на 17,37 дБ относительно номинального уровня, должна быть не более 1,5 • 10'5 за 90% часовых отрезков времени для участка длиной 250 км. При изменении длины допустимая доля времени умножается на L/2500, где L — длина канала, км.

Перерывы свыше 300 мс классифицируются как обрыв канала, так как при этом происходит автоматическое разъединение коммутируемого канала.

Амплитуды импульсных помех в каналах связи могут достигать значений, которые превышают уровень полезного сигнала. Такие помехи с большой вероятностью вызывают ошибки в принимаемой последовательности элементарных импульсов. В потоке импульсных помех встречаются помехи очень короткие, следующие друг за другом с малым интервалом. Измерительный прибор объединяет эти помехи в одну, т.е. интегрирует их с определенным временем интеграции. Это время тоже должно учитываться при нормировании.

Доля времени, в течение которого имеют место импульсные помехи с напряжением, превышающим порош анализа 600, 400, 200 мВ, в точке с относительным уровнем +4,34 дЬ должна быть не более соответственно 1 10-5, 2 10-5, 5 10-5 для часовых сеансов измерений на одном переприемном участке длиной 2500 км. При этом для 90% часовых сеансов эта доля времени не должна превышать соответственно 5 10-6, 8 10-6 и 2 10-5. Измерение должно проводиться прибором со временем интеграции 100 мс. При изменении длины канала указанные значения умножаются на L/2500.

Основная причина искажений дискретных сигналов в каналах ТЧ — неравномерность фазочастотной характеристики канала, выражающаяся в неодинаковости группового времени запаздывания для разных гармонических составляющих прямоугольного импульса. Норма на ФЧХ канала была установлена на основе экспериментальных проверок, и она выражается следующим образом: для одного переприемного участка неравномерность группового времени запаздывания (ГВЗ) относительно его значения на частоте 1900 Гц должна располагаться ниже ломаной кривой (рис. 5). При соединении n переприемных участков норма увеличивается в n раз.

Ниже приведены некоторые характеристики канала ТЧ, соблюдение которых обеспечивает требуемое качество передачи дискретных сигналов:

• остаточное затухание для двухпроводного канала должно со­ставлять 0 дБ, для четырехпроводного — 17,4 дБ;

• частотная характеристика остаточного затухания должна удов­летворять нормам, указанным в табл. 2;

• сдвиг передаваемой частоты в канале протяженностью 2500 км не должен превышать 1 Гц, а протяженностью 12500 км — 1,5 Гц;

• уровень среднего невзвешенного шума в течение любого часа работы на одном переприемном участке канала ТЧ протяженнос­тью 2500 км (измеренный прибором с квадратичной характеристи­кой детектирования и полосой частот 300—3400 Гц, имеющим вре­мя интеграции 200 мс), должен быть не более -46 дБ в точке с нуле­вым относительным уровнем;

• коэффициент нелинейных искажений канала ТЧ на одном пере­приемном участке должен быть не более 1,5% (и не более 1 % по третьей гармонике) при номинальном уровне передачи на частоте 800 Гц. При п переприемных участках норма увеличивается в n раз.

Рис. 5. ФЧХ канала

При соблюдении указанных норм в телеграфной связи, органи­зованной с использованием стартстопных аппаратов, работающих со скоростью 50 Бод кодом МТК-2, частость ошибок по знакам не должна превышать 3 • 10"5.

Для систем передачи данных вне зависимости от скорости и спо­соба синхронизации МСЭ-Т нормируемый коэффициент ошибок при приеме знака kош = 1 • 10-6.

Таблица 2

Выводы.

1. Учитывая высокое значение коэффициента ошибок в существующих каналах (kош = 1 • 10-4) необходимо принимать меры повышения верности, т.е. снижать коэффициент ошибок до kош = 1 • 10-6.

2. Все методы повышения верности можно разделить на две группы: методы, направленные на ослабление помех, и методы внесения логической избыточности в передаваемые сообщения.

3. Эффективность методов первой группы относительно невелика, а второй группы — теоретически бесконечна.

4. Соблюдение норм на характеристики канала ТЧ гарантирует получение требуемого качества передачи.

3. Технологии и архитектура беспроводных сетей

1. Персональные беспроводные сети (технологии Bluetooth, Home rf, ieee 802.15.3(4))

Персональные беспроводные сети передачи данных стали появляться сравнитель­но недавно — в середине 90-х годов. Однако лишь к концу 90-х годов разви­тие" микроэлектроники позволило производить для таких устройств интеграль­ную элементную базу. Открывшиеся перспективы привели к тому, что практиче­ски одновременно появилось сразу несколько разработок персональных БСПИ, основные из которых - это спецификации HomeRF, стандарты семейства IEEE 802.15 (Bluetooth и IEEE 802.15.3/4), а также технологии сверхширокополосной связи (UWB).

1. Стандарты Bluetooth и HomeRf

HomeRF — это название созданной в марте 1998 года группы производителей компьютерного и бытового оборудовании (Home Radio Frequency Working Group; в первый год существования в нее вошло свыше 90 фирм, включая Intel, Compaq, Ericsson, Hewlett-Packard и Microsoft). Она организовывалась для разработки открытого протокола распределенного беспроводного доступа SWAP (Sliared Wire­less Access Protocol), который должен был лечь в основу радиосети HomeRF. Впоследствии вместо понятии SWAP в названии спецификации стали использо­вал» HomeRF. Первая версия спецификации HomeRF появилась 17 декабря 1998 годя, последняя (HomeRF 2.01) 1 июля 2002 года. На этом цели рабочей группы были выполнены, и в январе 2003 года она была расформирована.

Как следует из названия, стандарт HomeRF задумывался как беспроводная домашняя СПИ, аналог известной к тому времени проводной Ethernet-подобной сети HoniePNA (Home Phone Line Networking Alliance), в качестве носителя использовавшей уже проложенную телефонную линию. Для нормальной работы сети HomeRF необходим host-компьютер (или устройство, выполняющее его функции).

Идеологии Bluetooth иная это универсальный радиоинтерфейс, связыва­ющий друг с другом самые разные устройства и не требующий дорогой аппа­ратной поддержки. Однако устройства Bluetooth сегодня реально используют в основном для замены провода радиоинтерфейсом (например, в качестве бес­проводной гарнитуры дли сотовых телефонов), несмотря на широчайший спектр заложенных в нем возможностей. Рынок такого род» приложений пока во мно­го раз превосходит рынок действительно сетевых устройств. Возможно, имен­но попону прекрасно проработанный для применения именно для сетевых за­дач стандарт HomeRF пока не нашел массовой) применения. С одной стороны его вытесняют простейшие Bluetooth-устройства, с другой — системы стандарта IEEE 802.11, которые за последние пять лeт существенно подешевели, лишив тем самым HomeRF основного перед ними преимущества — низкой стоимости. Поэтому более детально рассмотрим имений стандарт Bluetooth-

Основные характеристики технологий Bluetooth и HomeRF приведены в табл. 3.

Таблица 3

Сравнительные характеристики технологий Bluetooth и HomeRF