"Физиология" и "анатомия" цифровой связи стандарта GSM

В последние два десятилетия во всем мире наблюдается интенсивное развитие систем подвижной связи, которые не только весьма удобны, но во многих случаях стали просто незаменимым видом услуг. Весьма широкое использование получили сотовые системы радиосвязи, создание которых стало крупным научно-техническим достижением 80-90-х годов. Для работы этих систем требуется ограниченный спектр радиочастот благодаря пространственному разнесению приемопередатчиков с совпадающими рабочими частотами. Первые такие системы подвижной связи общего пользования появились за рубежом в конце 70-х годов, и с тех пор рост спроса на них значительно опережает спрос на другие услуги связи. К середине 80-х годов аналоговые системы сотовой связи (ACS - Analog Communication System), ставшие первым поколением таких систем, получили достаточно широкое распространение в ряде стран. Однако анализ серьезных недостатков, присущих аналоговым системам (в частности, несовместимость различных стандартов, недостаточно высокое качество связи и ее зависимость от удаления подвижного абонента от базовой станции, сложности с шифрованием передаваемых сообщений и ряд других), в конце 80-х годов показал, что преодолеть их возможно только на основе цифровой техники.

Аналоговый стандарт скандинавской мобильной телефонии (NMT-450 - Nordic Mobile Telephone) использует диапазон частот 453 - 468 МГц. В этом случае предоставляется значительно большая по сравнению с другими стандартами площадь обслуживания одной базовой станции и соответственно меньшие затраты, а также малое затухание сигнала на открытом пространстве. Возможность пользоваться связью на расстоянии в несколько десятков километров от базовой станции при благоприятных погодных условиях даже за пределами гарантированной зоны покрытия, если абонент может подключить высокоэффективные направленные антенны и усилители очень выгодно для обширных территорий с низкой плотностью населения. Обратной стороной медали является слабая помехоустойчивость, поскольку в этом частотном диапазоне уровень различного рода помех и их влияние выше, чем в диапазонах 800, 900 и 1800 МГц (особенно ощутимо в больших городах, где развита промышленная сеть), и меньшая, чем в цифровых стандартах системы связи (DCS - Digital Communication System), возможность предоставления широкого спектра сервисных услуг. Кроме всего прочего этот стандарт абсолютно не защищен от прослушивания, поскольку его полоса частот типична для приема приемника ультракоротких волн соответствующего диапазона. В довершение ко всему стоит отметить, что аналоговые стандарты планируется заменить цифровыми - например, NMT-450 на GSM-400.

Аналоговый стандарт AMPS (Advanced Mobile Phone Service) с рабочим диапазоном частот 825 - 890 МГц характеризуется более высокой, чем у NMT-450, емкостью сетей и более надежной связью в помещениях, низкой восприимчивостью к индустриальным и атмосферным помехам. Однако меньшая зона устойчивой связи для одной базовой станции вынуждает операторов ставить их ближе друг к другу. Учитывая данные недостатки, был разработан цифровой улучшенный стандарт DAMPS.

Цифровой стандарт DAMPS (Digital Advanced Mobile Phone Service) с рабочим диапазон частот 825 - 890 МГц обладает емкостью сетей значительно выше, чем у NMT-450 и AMPS. Возможность эксплуатации мобильных аппаратов как в цифровом, так и в аналоговом режимах, широкий спектр сервисных услуг, а так же емкость сетей сотовой связи, работающих в этом стандарте, ниже, чем в полностью цифровых системах, но все же значительно выше, чем в аналоговых. Если при роуминге абонент из аналоговой сети AMPS попадает в цифровую - DAMPS, для работы ему выделяются аналоговые каналы, однако в этом случае преимущества цифровой связи недоступны.

Цифровые сотовые сети стали вторым поколением таких подвижных систем связи. Переход на технику второго поколения позволил использовать ряд новых решений, в том числе более эффективные модели повторного использования частот, временное разделение каналов между собой, разнесение во времени процессов передачи и приема при дуплексной связи, эффективные методы борьбы с замираниями и искажениями сигналов, эффективные низкоскоростные речевые кодеки с шифрованием передаваемых сообщений для ведения кодированной передачи, более эффективные методы модуляции и интеграцию услуг телефонной связи с передачей данных, и другими услугами подвижной связи.

Но главная особенность цифровой техники - программное управление многими процессами, включая формирование логических каналов, переключение подвижного абонента между сотами, организация современных протоколов связи на основе эталонной модели взаимосвязи открытых систем (MOSC - Open System Communication Model) международной организации по стандартизации (ISO - International Standards Organization), а также управление с помощью интеллектуальной сети. Эти преимущества определили дальнейшее развитие сотовых систем в 90-х годах на основе цифровой техники.

Существует несколько стандартов цифровых систем связи: европейский GSM (Global System for Mobile communications), американский ADS (American Digital System), традиционно использующийся в США PCS (Personal Communications Service), английский (DCS - Digital Cellular System) DCS-1800, являющийся прямым аналогом GSM-1800, и японский JDS (Japan Digital System). В странах СНГ более широко применяется стандарт GSM. Это стандарт, определяющий работу в радиотелефонных сетях общего пользования, получил распространение в Европе, однако в США принят стандарт PCS-1900, что говорит о его несовместимости с европейским вследствие различных радиочастот, применяемых для связи. В частности, европейский институт стандартизации телекоммуникаций (ETSI - the European Telecommunications Standards Institute) стандартизировал и определил основные положения действующих в настоящее время в Европе стандартов мобильной связи.

Для работы сотовых систем общего пользования в большинстве стран СНГ были выделены частотные диапазоны: 450МГц - для аналоговой системы NMT-450i и диапазон 900МГц - для систем GSM. Эти две системы стандартов NMT-450i и GSM-900 получили статус федеральных. Дальнейшее развитие сотовых систем связано как с освоением для системы GSM диапазона 1800МГц, так и с переходом к третьему поколению сотовых систем, которые позволяют более гибко решать задачи предоставления каналов подвижным абонентам (в том числе с разными скоростями передачи) за счет широкополосных систем передачи и множественного кодового разделения каналов (СDМА - Code Division Multiple Access).

В системах первого и второго поколений с множественным частотным (FDMA - Frequency Division Multiple Access) и временным (TDMA - Time Division Multiple Access) разделением каналов качество связи определяется количеством предоставляемых каналов и нагрузкой, которая ограничивается пучком наличных каналов, а если все они заняты, то абонент получает отказ. В системе же с кодовым разделением ограничение накладывается на помехи. Хотя здесь и имеет место ограниченное число кодов, а также фиксированное количество аппаратных средств формирования каналов, до этих ограничений дело обычно не доходит. Фактическое ограничение пропускной способности возникает из-за того, что все соединения, одновременно использующие весь выделенный спектр частот, могут создавать взаимные помехи. Таким образом, достигается "мягкое" управление пропускной способностью в том смысле, что рост числа пользователей (сверх определенного предела) сопровождается плавным ухудшением качества связи.

Цель работы: знакомство с функциональными основными узлами цифровой системы связи для передачи как дискретных, так и аналоговых сигналов. Преобразование сигналов в отдельных блоках системы связи с разными видами модуляции и кодирования. Демонстрация помехоустойчивости системы связи.

Краткие сведения из теории

В настоящее время во всём мире развивается цифровая форма передачи сигналов: цифровая телефония, цифровое кабельное телевидение, цифровые системы коммутации и системы передачи, цифровые сети связи. Качество цифровой связи значительно выше, чем аналоговой, так как цифровые сигналы гораздо более помехоустойчивы: нет накопления шумов, легко обрабатываются, цифровые сигналы можно "сжимать", что позволяет в одной полосе частот организовать больше каналов с высокой скоростью передачи и отличным качеством.

Целью данной лабораторной работы является изучение возможностей, а также изучение достоинств и недостатков цифровых систем связи. В соответствии с этой целью поставлены следующие задачи: - исследовать основные принципы цифровой системы передачи данных; - раскрыть понятие и структуру цифровой системы связи; - изучить особенности построения цифровых систем передачи.

Системы передачи информации

Под информацией понимают совокупность сведений, о каких–либо событиях, явлениях или предметах. Для передачи или хранения информации используются различные знаки (символы), позволяющие выразить (представить) информацию в некоторой форме. Этими знаками могут быть слова и фразы в человеческой речи, жесты и рисунки, форма колебаний, математические знаки и т. п.

Совокупность знаков, содержащих ту или иную информацию, называют сообщением . Так, при телеграфной передаче сообщением является текст телеграммы, представляющих собой последовательность отдельных знаков – букв и цифр. При разговоре по телефону сообщением является непрерывное изменение во времени звукового давления, отображающий не только содержание, но и интонацию, тембр, ритм и иные свойства речи. При передаче движущихся изображении в телевизионных системах сообщение представляет собой изменение во времени яркости элементов изображения. Передача сообщений, т.е. информации, осуществляется с помощью какого – либо материального носителя (бумаги, магнитной ленты и т. п.) или физического процесса (звуковых или электромагнитных волн, тока и т. п.).

Физический процесс, отображающий (несущий) передаваемое сообщение, называется сигналом . Физической величиной, определяющей такой сигнал, является ток или напряжение. Сигналы формируются путем изменения тех или иных параметров физического носителя по закону передаваемых сообщений. Этот процесс (изменения параметров носителя) принято называть модуляцией .

Основными характеристиками сигнала являются длительность сигнала T c , его динамический диапазон D c и ширина спектра F c . Длительность сигнала T c является естественным его параметром, определяющим интервал времени, в пределах которого сигнал существует. Динамический диапазон - это отношение наибольшей мгновенной мощности сигнала к той наименьшей мощности, которую необходимо отличать от нуля при заданном качестве передачи. Он выражается обычно в децибелах. Ширина спектра сигнала F c – этот параметр дает представление о скорости изменения сигнала внутри интервала его существования. Спектр сигнала, в принципе, может быть неограниченным. Однако для любого сигнала можно указать диапазон частот, в пределах которого сосредоточена его основная энергия. Этим диапазоном и определяется ширина спектра сигнала. Можно также ввести более общую и наглядную характеристику – объем сигнала:

Vc=T c D c F c (1.1.)

Объем сигнала Vc дает общее представление о возможностях сигнала как переносчика сообщений, т.е. чем больше объем сигнала, тем большее количество информации можно поместить в этот сигнал и тем труднее такой сигнал передать по каналу связи.

Источник

сообщений

Рисунок 1.1 Упрощенная схема системы связи

Цифровой системой передач (ЦСП) называется комплекс технических средств, предназначенный для образования типовых цифровых каналов и трактов и линейного тракта, обеспечивающего передачу цифровых сигналов электросвязи.

Цифровым сигналом электросвязи или просто цифровым сигналом , называется сигнал электросвязи, параметры которого характеризуются конечным множеством возможных дискретных значений и описываются функцией дискретного времени. Переход от одного возможного значения к другому происходит скачкообразно в строго определенные моменты времени, интервалы между которыми равны или кратны выбранному единичному интервалу времени – периоду дискретизации Тд.

Цифровые системы сотовой связи.

Существует несколько стандартов цифровых систем связи: европейский GSM (Global System for Mobile communications), американский – традиционно использующийся в США PCS (Personal Communications Service), английский (DCS – Digital Cellular System) DCS-1800, являющийся прямым аналогом GSM–1800, японский JDS (Japan Digital System) и СDМА (Code Division Multiple Access).

GSM (Global System for Mobile communications) – это стандарт, определяющий работу в радиотелефонных сетях общего пользования. В России для работы сотовых систем общего пользования систем GSM выделен частотный диапазон 900 МГц. Стандарт GSM-900 (как, впрочем, и NMT-450i) получил статус федерального. Сеть GSM–900 работает в диапазонах частот 900 (или 1800) МГц. В диапазоне 900 МГц подвижной абонентский аппарат передает на одной из частот в диапазоне 890–915 МГц, а принимает на частотах 935–960 МГц. В дуплексном канале, состоящем из восходящего и нисходящего направлений передачи, для каждого из названных направлений применяются частоты, различающиеся точно на 45МГц. В каждом из указанных выше частотных диапазонов создаются по 124 радиоканала (124 для приема и 124 для передачи данных, разнесенных на 45МГц) шириной по 200 кГц каждый. Этим каналам присваиваются номера (N) от 0 до 123.

В распоряжение каждой базовой станции может быть предоставлено от одной до 16 частот, причем число частот и мощность передачи определяются в зависимости от местных условий и нагрузки.

В каждом из частотных каналов, которому присвоен номер (N) и который занимает полосу 200 кГц, организуются восемь каналов с временным разделением (временные каналы с номерами от 0 до 7) или восемь канальных интервалов.

Система с уплотнением каналов по частоте позволяет получить 8 каналов по 25кГц, которые в свою очередь уплотняются по времени излучения еще на 8 каналов. В стандарте GSM несущая частота сигнала изменяется 217 раз в секунду для того, чтобы компенсировать возможное ухудшение качества. Поэтому, когда абонент получает канал, ему выделяется не только частотный канал, но и один из строго отведенных временных интервалов – иначе создаются помехи в других каналах. В соответствии с вышеизложенным отметим, что работа передатчика происходит в виде отдельных импульсов, которые происходят в строго отведенном канальном интервале: продолжительность канального интервала составляет 577 мкс, а всего цикла – 4616 мкс. Выделение абоненту только одного из восьми канальных интервалов позволяет разделить во времени процесс передачи и приема путем сдвига канальных интервалов, выделяемых передатчикам подвижного аппарата и базовой станции. Базовая станция всегда передает на три канальных интервала раньше подвижного аппарата.

Таким образом, последовательность импульсов, которая образует физический канал передачи GSM, характеризуется номером частоты и номером временного канального интервала. На основе этой последовательности импульсов организуется целая серия логических каналов, которые различаются своими функциями. Кроме каналов, передающих полезную информацию, стандартом предусматривается ряд каналов, передающих сигналы управления, а также организация прямой двусторонней связи с сотовыми терминалами (или цифровыми устройствами обработки информации). Подобные технологии различаются по наличию инфракрасного (IR-ID) или радиочастотного (Bluetooth, ZigBee и т. п.) интерфейсов малого радиуса действия, которые предназначены для связи находящихся рядом устройств. Большая часть сценариев подобных интерфейсов включает вариант, когда одно из устройств является устройством беспроводной коммуникации стандарта WAP. Реализация таких каналов и их работа находятся под управлением операционной системы (ОС) абонентских устройств.

В виду того, что многие устройства Bluetooth могут являться участниками телеконференций (WAP Forum), существует реальная угроза вирусной атаки ОС сотовых терминалов. По данным компании F-Secure, проникновение вируса Cabir на мобильные телефоны уже было зарегистрировано на Филиппинах, в Сингапуре, Арабских Эмиратах, Китае, Индии, Финляндии, Турции и Вьетнаме. В качестве первого российского носителя сетевого «червя» выступил телефон Nokia 7610. Анализ содержащейся в мобильном телефоне информации показал, что вредоносный код полностью идентичен оригинальному варианту Cabir, обнаруженному в июне 2004 года. Это дает основания для неутешительного вывода: сетевой «червь» уверенно распространяется по всему миру, инфицируя мобильные телефоны Symbian OS.

СDМА – (Code Division Multiple Access) – система цифровой сотовой связи с кодовым разделением каналов на основе использования шумоподобных сигналов. В отличие от других цифровых систем, которые делят отведенный диапазон на узкие каналы по частотному (FDMA) или временному (TDMA) признаку, в стандарте CDMA передаваемую информацию кодируют и код превращают в шумоподобный широкополосный сигнал так, что его можно выделить снова, только располагая кодом на приемной стороне. При этом одновременно в широкой полосе частот можно передавать и принимать множество сигналов, которые не мешают друг другу. Основой метода разделения каналов с реализацией многостанционного доступа с кодовым разделением CDMA-1 (в реализации компании Qualcomm) являются расширение спектра методом прямого кодирования последовательности данных последовательностями Уолша (Walsh Coding).

Одно из преимуществ цифровой связи с шумоподобными сигналами – защищенность канала связи от перехвата, помех и подслушивания. Именно поэтому данная технология была изначально разработана и использована для вооруженных сил США, и лишь совсем недавно американская компания Qualcomm на основе этой технологии создала стандарт IS-95 (CDMA-1) и передала его для коммерческого использования.

Как уже указывалось, технология CDMA обеспечивает высокое качество сигнала при снижении излучаемой мощности и уровня шумов. В результате можно добиться минимальной средней выходной мощности, значение которой в сотни раз меньше значений выходной мощности других, используемых в настоящее время стандартов. Это позволяет уменьшить воздействие на организм человека и увеличить продолжительность бесперебойной работы без подзарядки аккумулятора. Так, излучаемая мобильными аппаратами средняя мощность в сотовых системах CDMA составляет менее 10 мВт, что на порядок ниже мощности, требуемой, например, в системах с временным разделением каналов TDMA. Эффективное использование радиочастотного диапазона с возможностью многократного использования одних и тех же частот в сети (высокая спектральная эффективность) увеличивает емкость CDMA в 10–20 раз по сравнению с аналоговыми системами и в 3–6 раз превышает плотность других цифровых систем.

Наконец, в стандарте предусмотрен плавный переход между сотами (или секторами в пределах одной соты), что позволяет осуществлять «мягкий» переход от одной соты к другой, в отличие от GSM, где такой переход происходит скачкообразно, что приводит к короткому временному разрыву соединения.

Тенденции развития технологий сотовой связи.

Развитие цифровых систем связи предполагает создание нового четвертого поколения (4G) сотовых систем связи. На сегодня 3G-технологии представлены в выборе из 3 стандартов:

§ W-CDMA (Wide Band Code Division Multiple Access), предусматривающий переход к 3G от технологий GSM;

§ cdma2000 (компании Qualcomm), которая ориентирована на замену технологии CDMA-1 (cdmaOne);

§ DoCoMo – японская система, согласованная с W-CDMA, ориентированная на переход с систем, использующих временной (TDMA) принцип разделения каналов (Time Division Multiple Access).

Несмотря на неопределенность в выборе конкретного стандарта, Институт Европейских Стандартов Телекоммуникаций уже разрабатывает соответствующий стандарт UMTS (Universal Mobile Telecommunications System). Так, для UMTS-систем выделены два частотных диапазона – 1885–2025 МГц и 2110–2200 МГц. Определен набор функциональных возможностей средств связи, к наиболее важным функциям отнесены:

§ речевые вызовы;

§ видеотелефония;

§ IP-телефония;

§ передача видеоизображения в режиме «live» по WAP-протоколу;

§ трансляция аудио-репортажа;

§ прием телевизионных программ;

§ видео- и фотосъемка;

§ скоростной доступ к сети Internet включая WEB-браузинг с использованием технологий WAP и GRPS;

§ мобильный офис;

§ определение местоположения абонента по картам и путеводителям;

§ электронная почта, шопинг и коммерция.

Очевидно, что для обеспечения перечисленного в абонентском терминале 3G должна быть видеокамера. Для просмотра телепрограмм необходим цветной жидкокристаллический экран достаточно большого размера. Услуги мобильного офиса, а также игры требуют высокопроизводительного процессора, большой памяти и удобных клавиатуры и манипулятора. Работа всех этих устройств должна обеспечиваться батареей электропитания достаточно большой емкости. И главное – такой прибор должен быть очень компактным, не превосходящим по размеру привычный сотовый телефон.

Предполагается, что по исполнению радиосредства, разрабатываемые для 3G, будут делиться на две категории: интеллектуальные телефоны и планшетные компьютеры. Сегодня примером первых могут служить аппараты, сочетающие в себе мобильный телефон под управлением операционной системы. Вторые лучше всего можно представить планшетными компьютерами оснащенными модулями связи GSM, G3 или WiMax.

Фаза внедрения 3G подходит к завершению и в России ведущие операторы уже получили лицензии на эксплуатацию технологий LTE, (Long Term Evolution).

LTE - это не апгрейд 3G, это более глубокое изменение, знаменующее переход от систем CDMA к системам OFDMA, а также переход от систем с коммутацией каналов к коммутации пакетов. Проблемы перехода на LTE включают необходимость в новом спектре для получения преимуществ от широкого канала, (который в опытном порядке уже осуществлен в республике Татарстан). Кроме того, требуются абонентские устройства, способные одновременно работать в сетях LTE и 3G для плавного перехода абонентов от старых к новым сетям.

Внедрение LTE обеспечивает возможность создания высокоскоростных систем сотовой связи, оптимизированных для пакетной передачи данных со скоростью до 300 Мбит/с в нисходящем канале (от базовой станции к пользователю) и до 75 Мбит/с в восходящем канале. Пиковые скорости передачи данных в ранних реализациях должны составлять более 100 Мбит/с в нисходящем канале и более 50 Мбит/с в направлении от пользователя. Реализация LTE возможна в различных частотных диапазонах - от 1.4 МГц до 20 МГц, а также по различным технологиям разделения каналов - FDD (частотное) и TDD (временное).

В этой книге мы представляем основные принципы, которые лежат в основе анализа и синтеза систем цифровой связи. Предмет цифровой связи включает в себя передачу информации в цифровой форме от источника, который создаёт информацию для одного или многих мест назначения. Особенно важным для анализа и синтеза систем связи являются характеристики физических каналов, через которые передаётся информация. Характеристики канала обычно влияют на синтез базовых составных блоков системы связи. Ниже мы опишем элементы системы связи и их функции.

1.1. ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМ ЦИФРОВОЙ СВЯЗИ

Функциональную схему и основные элементы цифровой системы связи поясняет рис. 1.1.1. Выход источника может быть либо аналоговым сигналом, как звуковой или видеосигнал, либо цифровым сигналом, как выход печатающей машины, - он дискретен во времени и имеет конечное число выходных значений. В системе цифровой связи сообщения, выданные источником, преобразуются в последовательность двоичных символов. В идеале мы можем представить выход источника сообщения небольшим числом двоичных символов (насколько это возможно). Другими словами, мы ищем эффективное представление выхода источника, которое приводит к источнику с наименьшей избыточностью или с полным её отсутствием. Процесс эффективного преобразования выхода источника - как аналогового, так и цифрового - в последовательность двоичных символов называют кодированием источника или сжатием данных .

Последовательность двоичных символов от кодера источника, который мы назовём источником информации , поступает на кодер канала . Цель кодера канала состоит в том, чтобы ввести управляемым способом некоторую избыточность в информационную двоичную последовательность, которая может использоваться в приёмнике, чтобы преодолеть влияние шума и интерференции, с которой сталкиваются при передачи сигнала через канал. Таким образом, добавленная избыточность служит для увеличения надёжности принятых данных и улучшает верность воспроизведения принятого сигнала. Фактически избыточность в информационной последовательности помогает приёмнику в декодировании переданной информационной последовательности. Например, тривиальной формой кодирования исходной двоичной последовательности является простое повторение каждого двоичного символа раз, где - некоторое целое положительное число. Более сложное (нетривиальное) кодирование сводится к преобразованию блока из информационных символ в уникальную последовательность из символов, называемую кодовым словом . Значение избыточности, вводимой при кодировании данных таким способом, измеряется отношением . Обратная величина этого отношения, а именно , названа скоростью кода .

Рис. 1.1.1 Основные элементы цифровой системы связи

Двоичная последовательность на выходе кодера канала поступает на цифровой модулятор, который служит интерфейсом к каналу связи. Так как почти все каналы связи, с которыми сталкиваются на практике, способны к передаче электрических сигналов (волновых процессов), основная цель цифрового модулятора сводится к отображению информационной двоичной последовательности в соответствующий сигнал. Чтобы разобраться с этим вопросом, предположим, что кодированная информационная последовательность должна передать один бит за определённое время с постоянной скоростью бит/с. Цифровой модулятор может просто отображать двоичный символ в сигнал , а двоичный символ - в сигнал . Таким способом каждый бит кодера передаётся отдельно. Мы называем это двоичной модуляцией. В качестве альтернативы модулятор может передавать кодированных информационных битов одновременно, используя различные сигналы , один сигнал для каждого из возможных -битовых последовательностей. Мы назовём это -позиционной модуляцией . Заметим, что информационная последовательность с битами поступает на вход модулятора каждые секунд. Следовательно, когда канальная скорость передачи данных фиксирована, для передачи одного из сигналов, соответствующих информационной последовательности из бит, отведён в раз больший интервал времени, чем при двоичной модуляции.

Канал связи – это физическая среда, которая используется для передачи сигнала от передатчика к приёмнику. При беспроволочной связи каналом может быть атмосфера (свободное пространство). С другой стороны, телефонные каналы обычно используют ряд физических сред, включая линии проводной связи, волоконно-оптические кабели и беспроволочные линии (например, микроволновую радиолинию). Для любой физической среды, используемой для передачи информации, существенно, что передаваемый сигнал подвержен случайным искажениям через такие механизмы, как воздействие аддитивного теплового шума, генерируемого электронными устройствами, воздействие промышленных помех (например, автомобильные помехи от системы зажигания), воздействие атмосферных помех (электрические разряды молнии во время грозы) и т.п.

На приёмной стороне системы цифровой связи цифровой демодуляторобрабатывает искажённый каналом передаваемый сигнал и преобразует его в последовательность чисел, которые представляют оценки переданных данных (двоичных или -позиционных). Эта последовательность чисел поступает на канальный декодер, который пытается восстановить первоначальную информационную последовательность, используя знание канального кода и избыточности, содержащейся в принятых данных.

Мера качества работы демодулятора и декодера – это частота, с которой возникают ошибки декодируемой последовательности. Более точно, средняя вероятность ошибки на бит для выходных символов декодера является удобной характеристикой качества демодулятора-декодера. Вообще говоря, вероятность ошибки является функцией от характеристик кода, форм сигналов, используемых для передачи информации по каналу, мощности передатчика, характеристик канала, а именно уровня шума, природы интерференции и т.д., и методов демодуляции и декодирования. Эти обстоятельства и их влияние на характеристики качества системы связи будут обсуждаться подробно в последующих главах.

На заключительной стадии, когда рассматривается аналоговый выход, декодер источника принимает выходную последовательность от декодера канала и, используя знание метода кодирования источника, применённого на передаче, пытается восстановить исходную форму сигнала источника. Ошибки декодирования и возможные искажения в кодере и декодере источника приводят к тому, что сигнал на выходе декодера источника является аппроксимацией исходного сигнала источника. Разность или некоторая функция разности между исходным и восстановленным сигналом является мерой искажения, внесённого цифровой системой связи.

Исторически первой попыткой передать цифру считают телеграф Шиллинга (1832). Постепенно изобретатель, пытаясь снизить число соединительных линий, внедрил методику кодирования печатных знаков двумя состояниями. Аналогично работает азбука Морзе (1840).

Цифровая связь – род электросвязи, использующий дискретные сигналы, как правило, двоичной системы счисления.

История кодирования информации с точки зрения связи

Считаем излишним упоминать опостылевший читателям дым костра пещерных людей. Семафор Шаппа столь же никудышный пример. И тут Википедия, сообщила: Лейбниц, основоположник двоичного счета, интересовался китайской Книгой перемен… Глубочайшие древние знания сегодня недооценивается брезгливо отбрасывающими непонятое неучами. Пойдём узкой тропой.

Древние жители Малайзии использовали комбинированную двоично-десятичную систему счисления. Ритуальные барабаны Африки формировали кодовый сигнал, служащий различным целям.

Древний Египет

Википедия не даст соврать – египтяне хорошо умели считать. Дробей было даже два вида:

1. Египетские получили собственное название. Бытовала запись числа конечной суммой простых дробей. Математики доказали: каждое положительное рациональное число раскладывается указанным образом. Методику переняли многие древние цивилизации.
2. Глаз Гора (напоминает Око Ра), знак даёт защиту, королевскую власть, отличное здоровье. Современные исследователи дали изображению собственные названия, отметив схожесть отдельных элементов с цифрами.

Глаза Гора

Гор считается сыном Осириса и Исиды. Традиционно наделяют головой сокола. Правый глаз древних изображений олицетворяет бога солнца Ра, левый – бога мудрости Тота. Оба являются зеркальными отражениями друг друга. Иероглифы, обозначающие глаз, имеют смысл: делатель; человек, занимающийся трудом. Различные участки изображения представляли единицу, делённую на первые 6 степеней двойки, напоминая современный бинарный код:

1. 1/2. Правая сторона глаза.
2. 1/4. Глазное яблоко.
3. 1/8. Бровь.
4. 1/16. Левая сторона.
5. 1/32. Изгиб, завиток, имитирующий морщину ниже глаза.
6. 1/64. След слезы.

В 2003 году Джим Риттер окончательно доказал несостоятельность теории сходства элементов глаз с иероглифами, обозначающими цифры. Однако терминология прижилась, продолжает активно применяться учёными-математиками. Египтяне применяли делители степень двоек, подсчитывая урожай, объёмы жидкостей. Первые следы употребления датируются 2400 г. до Р.Х. Порядок действий при умножении задействует алгоритм, включающий двоичное представление второго числа.

Книга перемен

Документ, датированный IX в. до Р.Х., демонстрирует систему гаданий в четверичной системе счисления. Базовая система образована:

1. Двойственной природой сил: инь, ян.
2. Восемью триграммами Будуа (общее количество: третья степень числа два).
3. 64 гексаграммами Люшисыгуа (общее количество: шестая степень числа два).

Шао Йонг выстроил гексаграммы согласно порядку возрастания, создав набор чисел. Хотя никогда не пытался использовать картинки, выполняя математические вычисления.

Индия

Древний учёный Пингала (2 в. до Р.Х.) разработал ритмическую систему стихосложения, напоминающую азбуку Морзе – длинные/короткие слоги. Трактат Чандас-шастра стал обрядовой классикой, сопутствующей Ведам. Информация описана матрицей, помогающей снабдить стихотворение неповторимым ритмом. Современный двоичный аналог отсутствует.

Средневековая двоичная система

В 1605 году Фрэнсис Бэкон рассматривал систему двоичного кодирования букв, предлагая визуальную систему распознавания шифрованной информации. Попутно упоминал возможность использования:

1. Колоколов.
2. Огней.
3. Факелов.
4. Мушкетных залпов.
5. Трубных мелодий.

Джон Непер (1617) описал систему двоичных вычислений. Томас Харриот интересовался вопросом, поленившись опубликовать результаты. Позже бумаги были найдены среди рукописей учёного. Первой тематической рукописью считают работу Хуана Карамуэля и Лобковица (1670). Раздел Ru binara arithmetica вводит понятие двоичной системы:

• 1 = а.
• 0 = о.

Попутно богослов упоминает возможность использования основ счисления выше десятичной, предлагая заменять недостающие цифры буквами. 32 = аооо. Поныне используется современными вычислительными системами. Учёный пытался показать: двоичное счисление подсказано природой. Лобковиц опирался на музыкальный строй инструментов. Вплетая витиеватые представления философии, указал небесную подоплёку применения троичной системы. Четыре стороны света увязал на четверичную.

Похожими тропами двигались мысли Харриота, чьи работы составляли тайну для современников.

Лейбниц

Лейбниц заинтересовался проблемой в 1979 году. Первому знакомству с китайским раритетом обязан члену миссионерской общины Иоакиму Буве, посещавшему (1685) страну шелка лично. Гексаграммы подтвердили универсальность собственных христианских мировоззрений Лейбница. Проиллюстрируем не очевидный ход мысли учёного:

1. Христос создан из ничего (Ex nihilo) велением Бога. Противопоставляясь другим людям, созданным из материи. «Нелегко донести язычникам концепцию творения из ничего посредством силы Бога. Теперь каждый может показаться замечательную систему счисления, где мир представлен число 1, ничто – числом 0.» Цитата письма герцогу Брауншвейгу с приложенными гексаграммами.
2. Связка Бытие/Ничто формирует дуалистическую систему.
3. Двоичный счёт является даром небес.

Двадцать пять лет спустя вышел очерк Объяснение двоичной арифметики, использующей числа 0 и 1, дополненное объяснением полезности и связи с китайскими фигурами Фу Си. Семантическое представление значений идентично общепринятому современному. Учёный потрудился выстроить гексаграммы (см. выше), получив мощное средство производства вычислений.

Двоичная арифметика

Джордж Буль (1854) создал знаменитую логику, получившую волей сообщества математиков уникальное название. Логика стала основой конструирования современных цифровых приборов. Клод Шеннон (1937, Массачусетский технологический институт) сформулировал ключевые тезисы реализации электронных вычислителей, использующих переключатели, реле. К ноябрю Джордж Штибиц реализовал концепцию, построив Модель К. Литера обозначала кухню, где трудился изобретатель.

США

Первый вычислитель умел складывать цифры. Лаборатории Белла организовали исследовательскую программу, поставив главным Штибица. Оконченная 8 января 1940 года машина использовала комплексные числа. Демонстрируя детище конференции Американского математического общества на базе колледжа Дартмуна, изобретатель подавал команды посредством телефонной линии, используя телетайп. Продемонстрировав прототип современной клавиатуры – устройства ввода. Демонстрацию посетили лично:

1. Джон фон Ньюманн.
2. Норберт Винер.
3. Джон Моучли.

Германия

Параллельно компьютер Z1 (альтернативное имя V1 – экспериментальная модель) построил Конрад Цузе. Двоичный вычислитель считывал простейшие инструкции с перфорированной плёнки. Изделие 1935-1936 г.г. считают первым программируемым устройством современной истории человечества. Разработка полностью оплачена частными фондами. Компьютер весом 1 тонну полностью уничтожен бомбардировкой Берлина 1943 года войсками союзников. Рядом сгорели чертежи…

Это интересно! Оригинальное имя V1 повторяло название знаменитых Фау-1 (самолётов-снарядов). Поэтому современной литературой употребляется Z1.

1. Контрольный блок – аналог процессора.
2. Математическую логику с плавающей запятой.
3. Память (читаемая/исполняемая) объёмом 64 слова.
4. Устройства ввода-вывода, включая считыватель 35 мм перфоленты.

Контрольный блок давал возможность наблюдать последовательность исполняемых операций. Вычислительный блок оперировал 22-битными числами с плавающей запятой. Логические операции расширяли функциональность. Первоначальный набор содержал 9 инструкций, занимающих 1-20 «процессорных» циклов.

Входные/выходные данные десятичные.

История развития цифровой связи

Исторически первой стала амплитудная модуляция сигнала, внедрённая Поповым за неимением выбора. Частотная запатентована 26 декабря 1933 года Эдвином Армстронгом. Отличается более широкой полосой частот, занимаемых передаваемым сигналом. Цифровой сигнал использует обе методики. Отличие описывается способом представления информации:

1. Величина физического мира аналогового характера становится цифрой двоичной системы счисления.
2. Символы 0, 1 кодируются установленным образом.
3. Приёмная сторона расшифровывает послание.

Исторически первым устройством, применяющим кодирование называют телеграф Шиллинга (1832) – реализацию идеи Андрэ-Мари Ампера. Некорректно называть связь цифровой, потому что буквы также являются объектами дискретными. Отсутствует факт преобразования величин.

Мультиплексирование

Необходимость нарезать сигнал вызвана желанием телеграфистов использовать одну линию передачи. Первый трансатлантический кабель стоил недёшево. Немедля начали канал сдваивать, учетверять. Наука дискретизации шагает параллельно первым потугам моряков утопить кабель. Американский изобретатель Мосес Фармер предложил (1853) мультиплексирование с временным делением абонентов. Несколько передатчиков смогли использовать одну линию.

Двадцать лет спустя Эмиль Бодо построил машину автоматического мультиплексирования телеграфов Хагис. Долгое время положение дел устраивало общественность. Отсутствие элементной базы стопорило работы. В 1903 году Майнер создал электромеханический коммутатор временного мультиплексирования телеграфов. Последовательно технологию транспонировали на телефонные линии. Частота нарезки составляла 3,5-4 Гц, оставляя желать лучшего.

Кабельная система передачи изображений Бартлейна (1920) посылала оцифрованные рисунки принимающему факсу на другой стороне Атлантического океана. Применение бинарной арифметики снижало время передачи, достигая показателя 3 часа. Изначально производилась кодировка пятью оттенками серого. Постепенно число повышалось, достигнув (1929) пятнадцати. Имя технологии является производным двух создателей концепции:

1. Гарри Бартоломью.
2. Майнхард МкФарлейн.

Идею перенял Пол Рэйни, запатентовавший факсимильную машину, производящую оцифровку изображения 5-битным кодом посредством опто-механического конвертера. Попытка промышленного выпуска провалилась. Британского инженера Алека Ривса считают основоположником оцифровка голосовых сообщений. Теоретически рассмотрев вопрос, изобретатель подал заявку французскому бюро (по месту основной работы). Война подзатянула решение комиссии. Положительный ответ принёс 1943 год.

Зелёный шершень

Историки затрудняются указать первый факт установления цифровой связи, запутанный секретами Второй мировой войны. Шифровальное оборудование SIGSLAY радовало союзников непонятными врагам передачами. Википедия однозначно называет альянс пионерами. Техника использовала кодово-импульсную модуляцию. Находятся энтузиасты, приписывающие роль первопроходца Попову. Полагаем, несостоятельность трактовки очевидна.

Это интересно! Прототип первого цифрового связного оборудования назвали программой Зелёный шершень. Передатчик похоже гудел, кодируя информацию. Зелёный шершень помог провести 3000 конференций.

Немецкие шпионы прослушивали каналы связных скрамблеров А-3, построенных Вестерн Электрик. Иногда глушили трафик. Враждующие стороны постоянно взламывали взаимную защиту. Злоумышленникам помогал анализатор спектра. Сигсалли маскировал посылку, спрятанную предварительно вокодером, псевдошумовым сигналом. Разработчики заложили частоту дискретизации 25 Гц. Изобретатели продемонстрировали ряд новых технологий, реализуя схему:

1. Выборку десяти каналов линии диапазона 250..2950 Гц шифрации.
2. Оцифровку согласно правилу наличия, отсутствие фонации.
3. Наличие характеризовалось высотой тона, скорость изменения ниже 25 Гц.

Выборки нарезали частотой 50 Гц, амплитуду конвертировали шестью уровнями (числом 0..5). Шкала дискретизации нелинейная с большими пролётами на сильных сигналах. Разработчики использовали данные физиологов, констатирующих: оттенки голоса закладываются не всеми колебаниями голосовых связок одинаково. Звук с фонацией кодировали парой 6-уровневых чисел, добиваясь получения 36 уровней.

Криптографический ключ образован серией случайных значений 6-уровневых чисел. Код вычитался из выборки голосовых отсчётов по модулю 6, скрывая содержимое. Несущая подвергалась частотной манипуляции (резкое изменение значения несущей). Приёмник принимал набор значений, образовывал выборку сообразно принятой системе кодирования. Затем сигнал расшифровывали, производя сложение по модулю 6. Вокодер довершал цепочку преобразований.

1. Белым шумом заполнялись промежутки, лишённые фонации.
2. Генератор формировал сетку гармоник, частота которых контролировалась высотой тона (см. выше).
3. Отдельный переключал тонации контролировал тип звучания.
4. Дело довершал регулируемый усилитель.

Шумовые комбинации шифрования ключа изначально записали с большого ртутного выпрямителя на фонограф. Информацию разослали пользователям системы. Терминал, сформированный 40 блоками, весил 50 тонн, потребляя 30 кВт энергии. Комнату приходилось охлаждать воздухом. Первый комплект занял помещение здания Пентагона. Президент Франклин Рузвельт круглосуточно имел возможность общаться, выслушивая планы премьер-министра Уинстона Черчилля, имевшего собственный экземпляр под Оксфорд Стрит. 15 июля 1943 года состоялась первая пресс-конференция союзников. Стороны установили необходимое количество наборов, включая один, занявший борт флагмана Генерал Дуглас МакАртур.

Достижения

1. Первая секретная радиосвязь.
2. Первая дискретизированная передача данных.
3. Внедрение концепции кодово-импульсного радиоканала.
4. Использование компадирования.
5. Первая радиопередача многоуровневой частотной манипуляции.
6. Первая технология компрессии спектра речи.
7. Внедрение методики частотного деления каналов при помощи манипуляции.

Развитие концепции цифровой связи

Канадская военно-морская система DATAR (1949) стала транслировать информацию. Формирование считают первым примером военной информационной системы, реализуя концепцию единого командного пункта. Канада хорошо помнила 1943 год, когда получила возможность координировать действия морских сил союзников. Командование задумало упростить процесс. Круглый планшет, напоминающий экран радиолокационной станции, показывал положение участников баталии. Проект затрагивал морской флот, попутно специалисты отметили возможный охват всех родов войск.

Демонстрация 1953 года провалилась, заставив ВВС США заняться разработкой SAGE. Центральная система управляла действиями NORAD, отражая возможные атаки воздушного флота противника. Обстановка, сдобренная изрядной долей дисплеев, компьютеров, стала неотъемлемой частью холодной войны. Основу производственной мощности составил супервычислитель AN/FSQ-7, снабдивший процессорным временем командные центры, занимавший 22000 квадратных футов пола.

Стоимость, исчисляемая миллиардами долларов, перекрыла затраты Манхэттанского проекта. Тест Небесного щита показал перехват 25% бомбардировщиков. Сегодня управляющая роль получена микрокомпьютерам, дублирующим функции машинных залов. Ограниченность технологии объяснялась необходимостью использования вакуумных электрических приборов. Военные отдали часть технологий промышленности. 24-канальные машины 1953 года были далеки океану, военной авиации. Истинное призвание техники RCA – посылать звуковые сообщения на Брод Стрит (Нью-Йорк), обеспечивать функционирование линий Роки Пойнт – Лонг Айленд.

Цифровая революция

Подложка давно была готова. Основы, кропотливо развиваемые учёными, заложил Чарльз Бэббидж. Технологии связи развивали телеграфисты. США выделили для цифровых проектов бюджет. Статья Клода Шеннона Математическая теории связи (1948) стала путеводной звездой отрасли. Промышленность ринулась оцифровывать аналоговые сигналы. Копии стали идентичны оригиналом, перестали стариться. Цифровая информация без потерь преодолевала кабель, эфир.

1947 год принёс миру полупроводниковый триод. Военные мигом оценили предоставляемые возможности. Вероятно засекреченные ранее сведения специально обнародовали, оценив потенциал гражданской промышленности США. Параллельно Великий рывок совершила Япония, порастеряв остатки феодального строя. 50-60-е годы основными потребителями оставались военные, правительство. В 1969 году Intel выпустили микропроцессор 4004, подготовивший базис будущей революции. Одновременно США заложили будущую основу общемировой сети интернет, инициировав проект ARPANET.

Хронология развития кодово-импульсной модуляции

Важно! Зал славы национальных изобретателей США наградил Бернарда Оливера, Клода Шеннона за создание кодово-импульсной модуляции (патент США 2.801.281, 1957 год).

Первая система вещательных приёмопередатчиков (1961) несла 24 телефонных канала кодово-импульсной модуляции (КИМ), частотой выборки 8 кГц, кодированных 8-битными числами. Качество связи соответствовало используемому ранее частотному мультиплексированию. Указанное помогло оцифровать:

1. Связь. Поколение 2G (1992) сотовых сетей стало цифровым.
2. Телевещание (начало 90-х, XX века). Женевское соглашение, принятое 17 июня 2015 года, установила сроки устранения странами последних признаков аналогового вещания. Первыми (2006) ушли Нидерланды, Люксембург. Россия планирует окончить процесс в 2019.
3. Радиовещание (конец 80-х, XX века). Норвежская корпорация NRK 1 июня 1995 года первой начала коммерческую трансляцию. К 2017 году 38 стран запустили сервис, включая Россию.

Изобретённая Алеком Ривсом (1937) импульсно-кодовая модуляция постепенно достигла областей звукозаписи, позже захватив коммерческое вещание. Пионерами стали продукты японских брендов (1971) NHK, Ниппон Колумбия. Параллельно опыты вели ВВС, создавшие цифровой двухканальный рекордер. Годом позже британцы провели пробную цифровую трансляцию. Развитие цифровой записи предшествовало появлению вещания.

• Четвёртое поколение коммутаторов 4ESS внедрено в систему телефонных линий США (1976).
• Линейная кодово-импульсная модуляция (1982) включена красной книгой стандартов записи компакт-дисков.
• AES3, основа будущего S/DIF, вводится в обиход (1985).
• Формат файлов.WAV становится стандартом персональных компьютеров (1991).
• Мировая запись носителей переходит на цифру: DVD (1995), Blu-ray (2005).
• Разработка цифровых протоколов передачи (2001) любительских раций (D-STAR, компании ICOM).
• HDMI поддерживает кодово-импульсную модуляцию (2002).
• Контейнер RF64 включает КИМ (2007).

Резюме развития технологии

Виды радиолюбительской связи на КВ принёс миллениум. Упоминая наработки Второй мировой войны, попутно обсуждали громадные размеры оборудования (машинные залы). Минимизация шла полным ходом, однако новинки оставались засекреченными. Исключая области записи, компьютерных сетей. Развал СССР явил миру чудеса цифровой техники: вещание, персональные вычислительные машины, связь. Поэтапно мир выбрасывает вон аналоговые технологии, модернизируя оборудование.

Структурная схема процесса позволяет игнорировать старение, погодные условия, помехи. Модем шутя выполняет работу машинного зала времён Второй мировой войны. Радиолюбителям стали выделять технику, о которой мечтали вьетнамские войска. Процесс вскоре позволит домоседам проектировать системы, насиживая уютное кресло. Возблагодарим интернет, подаривший людям возможности, доселе не известные планете.