Расчет линии связи для системы телевидения (стр. 13 из 14)
Отношение несущая/шум
Для диапазонов частот Кu и Ка отношение несущая/шум (C/N) на входе приемной системы определяется следующим выражением:
(8)где EIRP - эффективная изотропно - излучаемая мощность со спутника в направлении места расположения приемной системы, дБВт;
LFS - потери при распространении сигнала в свободном пространстве на участке от Земли до спутника связи, дБ;
С/Тusable - минимально пониженная величина коэффициента добротности приемной системы, дБ/К;
k - постоянная Больцмана (1,38 х 1СГ23 Дж/К);
В - полоса пропускания приемника до детектирования промежуточной частоты ПЧ, Гц;
Aatm - ослабление сигнала за счет поглощения в атмосфере, дБ;
Агаin - затухание сигнала в осадках для заданного процентного отношения времени, дБ.
Примечание При работе на частотах ниже 8 ГГц значениями Ааtm и Аrain можно пренебречь.
При вычислениях для условий ясного неба параметр Аrain исключается, aG/Tusab!e заменяется на номинальный коэффициент добротности G/Tпом.
5.2 Расчет цифровой линии связи
Данный раздел содержит информацию по распространению вычислений от ЧМ модуляции несущей до цифровой или фазовой модуляции. Теория информации классически делится на две отдельно определяемые области:
о кодирование источника информации; о кодирование канала связи.
Сигналы телевизионного изображения дискретизируются с частотой, как минимум вдвое превышающей верхнюю (граничную) частоту видеосигнала, и преобразуются в цифровой поток битов, называемый источником информации. Выход источника информации является входом источника кодирующего устройства. Функция последнего состоит в уменьшении среднего числа битов информации в секунду, которые необходимо передать пользователю через канал связи. Кодирование источника - другая тематическая область - включает в себя изучение методов сжатия информации, например методов, использующихся в стандарте MPEG-2. Нет необходимости затрагивать эту тему, так как интерес в данном случае представляет только конечный поток переданной информации для расчета линии связи. В таких случаях следует пренебречь подробностями кодирования и ссылаться на общий выход источника информации и кодирующего устройства как на источник информации.
Переданный сигнал, несущий полезную информацию, может быть неверно воспринят приемным устройством из-за искажений сигнала, возникающих при передаче по зашумленному каналу связи. Поэтому выход источника информации подсоединяется к кодеру канала связи, где в сигнал вводится избыточность (вставляются дополнительные биты информации). Это делается для того, чтобы уменьшить вероятность появления ошибочных битов. Такая практика называется предварительной коррекцией ошибок (FEC) и является единственным методом обеспечения коррекции ошибок без запроса повторной передачи информации. Вероятность появления ошибочных битов равна частоте ошибочных битов (ВЕR) декодера приемного устройства. Казалось бы, нет необходимости изучать методы цифрового сжатия только для того, чтобы еще раз прибавить дополнительные биты информации перед передачей по каналу связи. Однако для этого есть веские причины.
Пропускная способность канала связи согласно теореме Шеннона
Предварительная коррекция ошибок достигается введением избыточности в систему кодирования канала связи. Дополнительные биты добавляются предсказанным и предопределенным образом, чтобы декодер мог правильно интерпретировать передаваемые биты. Детали составления действительных (реальных) кодов слишком сложны, и в данном контексте их изучение не представляется необходимым.
В конце 1940-х годов американский инженер Клод И. Шеннон предложил научное обоснование теории информации. По существу, он показал, что пропускная способность (С) канала связи - это число битов информации в секунду, которое теоретически можно передатьпо каналу связи с условно низкой частотой появления ошибочных битов. Пропускная способность является функцией ширины полосы пропускания канала связи и отношения S/N.
В цифровых системах параметром, эквивалентным отношению S/N, является отношение Eb/N0, которое определяется как отношение количества энергии в бите информации к спектральной плотности шумов. Для данной цифровой модуляции и метода кодирования существует определенное значение отношения Eb/N0, которое соответствует заданной величине ВЕR, ожидаемой на выходе декодера. Экспериментально показано, что величина ВЕR лучше, чем 10 - 10, примерно соответствует оценке «5» по градации качества приема сигнала.
Предположим, что мощность на выходе кодера источника информации меньше, чем пропускная способность канала связи. Тогда можно уменьшить величину ВЕR до любого желаемого уровня, используя FEC, не увеличивая мощность передатчика выше значения, для которого была рассчитана пропускная способность. Другими словами, существует верхний предел скорости безошибочной связи, который может быть достигнут при передаче по любому заданному каналу связи. Однако здесь существует компромисс. Сложность систем кодирования канала связи стремительно растет при приближении к пропускной способности, и ширина полосы пропускания также возрастает. График, демонстрирующий зависимость пропускной способности канала связи по отношению к Eb/N0 и ширине полосы пропускания, приведен на рис. 5.2.1.
Эффективность кодирования
Шеннон не определил коды, которые позволили бы работать со скоростью, близкой к пропускной способности канала связи. Огромная работа была проведена с тех пор в попытке достижения этого теоретического предела. Из этого следует, что использование FEC выражается в коэффициенте эффективности кодирования (или коэффициенте эффективности декодирования) при демодуляции передаваемого сигнала. Коэффициент эффективности кодирования определяется как разность между величиной Eb/N0, требуемой для достижения определенного значения ВЕR без применения кодирования, и величиной Eb/N0, требуемой для достижения того же самого значения ВЕR с применением кодирования. Очевидно, что чем эффективнее кодирование, тем выше будет коэффициент его эффективности при демодуляции, но тем выше будет и сложность кодирования, и его стоимость.
Примечания к рисунку:
1. R - скорость передачи информации, бит/с, W - передаваемая полоса частот, Гц.
2. График показывает границу пропускной способности для безошибочной связи.
3. Рабочая область для безошибочной связи лежит выше кривой.
4. Для Eb/N0
-1, 6 дБ требуется бесконечная полоса частот.5. Рабочее ограничение мощности лежит слева от оси еb/n0(R < W).
6. Область ограничения полосы пропускания лежит справа от оси Eb /N0 (R > W).
Рис. 5.2.1. Граница пропускной способности канала связи по Шеннону
Постоянный внешний код, применяющийся в стандарте DBV - это код (188, 204) Рида-Соломона, связанный с внутренним непрерывным (сверточным) кодом, который был выбран для удовлетворения требований вещателей. В комплексе такое кодирование канала связи может дать коэффициент эффективности кодирования свыше 7 дБ. Не следует путать кодирование канала связи с кодированием источника информации (цифровым сжатием).
Предварительная коррекция ошибок
В системах спутниковой связи для модуляции цифровых несущих в подавляющем большинстве случаев используют либо QPSK, OQPSK (сдвиг QPSK), либо BPSK модуляцию с применением FEC. Обычно применяется QPSK с когерентной демодуляцией вместе с внутреннимкодом частотой 0, 5 или 0, 75, и когерентно - демодулированная BPSK с внутренним кодом частотой 0, 5.
Потери при работе декодера
Демодулятор приемника является причиной определенного количества потерь в общем канале связи из-за нелинейности фильтров и т. д. Эти потери обычно малы по сравнению с коэффициентом эффективности декодирования, но все же составляют значительную величину и должны быть учтены при расчете линии связи. Порядок этих величин обычно составляет от 1 до 1, 5 дБ.
Цифровая модуляция
Цифровая модуляция, также называемая фазовой модуляцией, во многих отношениях очень похожа на ЧМ. Как и в случае с ЧМ, анализ спектра является достаточно сложным, а оба спектра оказались бы похожими. Наиболее подходящими методами цифровой модуляции для передачи сигналов цифрового ТВ через спутник связи являются BPSK (двоичная фазовая манипуляция), QPSK (квадратурная фазовая манипуляция), 8-PSK и, возможно, 16-QAM (квадратурная амплитудная модуляция). Из этих четырех методов наиболее часто используется QPSK. Он имеет преимущество, поскольку может работать при мощности транспондера, близкой к насыщению, то есть с эффективной отдачей энергии. В табл. 5. 2 приведены теоретические значения Eb/N0, требуемые для достижения величины ВЕR, равной 10 - 10, без кодирования канала связи для различных методов модуляции. Метод 64-QAM часто выбирается для системы кабельного распределения каналов, потому что он обладает высокой эффективностью использования полосы пропускания при постоянно доступной ширине полосы пропускания 6-8 МГц.
Таблица 5. 2. Сравнение методов цифровой модуляции для BER, равной 10 - '°
Модификации для системы DVB