Ім'я файлу: Нагаєв_КР_Метрологія.docx
Розширення: docx
Розмір: 155кб.
Дата: 26.04.2022
скачати

НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Факультет аеронавігації, електроніки та телекомунікацій

кафедра Телекомунікаційних та радіоелектронних систем


КОНТРОЛЬНА РОБОТА

З ДИСЦИПЛІНИ «ОСНОВИ ТЕЛЕБАЧЕННЯ ТА ТЕЛЕВІЗІЙНІ СИСТЕМИ»
на тему «Модуляція телевізійного сигналу: Спосіб частотного ущільнення з ортогональними несучими (OFDM)»

Роботу виконав студент:

Нагаєв М.Г.

ФАЕТ, група АР-401Бз
Перевірила:

Доцент кафедри ТКРС

Малоєд М.М.

КИЇВ 2021

Зміст


Вступ 3

1. Способ частотного уплотнения с ортогональными несущими (OFDM) 5

2. Быстрое преобразование Фурье 10

3. Краткая оценка способа OFDM 11

Висновок 13

Список використаної літератури 15


Вступ


Один из основных вопросов, касающихся передачи данных с заданной скоростью, -распределение энергии в спектре электрического сигнала, переносящего данные, и согласование этого распределения с характеристиками канала связи. По своей природе двоичные сигналы - это последовательность прямоугольных импульсов, а для передачи таких импульсов без искажений требуется теоретически бесконечно большая полоса частот. Однако реальные каналы связи могут обеспечить лишь ограниченную полосу частот, поэтому необходимо согласовывать передаваемые сигналы с параметрами каналов. Такое согласование выполняется благодаря кодированию исходных данных за счет обеспечения специальной формы импульсов, переносящих данные, например, путем сглаживания прямоугольной формы спектральной плотности импульса по косинусоидальному закону, а также с помощью различных видов модуляции.

Если сообщения передаются двоичными сигналами, то скорость передачи данных оценивается, как 2бит/сек, или 2^/Гц в полосе пропускания канала связи А^, то есть,если Afw = 8Л?Гі/, то пропускная способность канала связи равна А/^ = 2^/Гу • 8 = 16^-^. Таким образом, для передачи цифрового ТВ сигнала с ИКМ требуется полоса частот канала связи равная 216-^-: = Ю8МГц. Поэтому для повышения эффективности или удельной скорости

передачи данных необходимо перейти к многопозиционной (комбинированной) модуляции, при которой каждая электрическая посылка несет более 1 бита информации. К способам многопозиционной модуляции, используемым в системах цифрового телевидения, относятся: квадратурная амплитудная модуляция (QAM - Quadrature Amplitude Modulation), квадратурная фазовая манипуляция или четырехпозиционная фазовая манипуляция (QPSK - Quadrature Phase Shift Keying), частотное уплотнение с ортогональными несущими (OFDM - Orthogonal Frequency Division Multiplexing) и восьмиуровневая амплитудная модуляция с частично подавленной несущей и боковой полосой частот (8-VSB - Vestigial Side Band).

При выборе метода модуляции очень важно учитывать характеристики канала передачи. Для каналов спутниковой и кабельной цифровых систем телевидения в качестве оптимальных (обеспечивающих заданное качество при минимальной сложности ТВ приемников) были выбраны способы модуляции одной несущей. Причем в системах цифрового спутникового ТВ вещания, использующих каналы связи с полосой 27 МГц для непосредственного ТВ вещания и 30, 33, 36, 40, 46, 54 и 72 МГц для фиксированных служб спутниковой связи, целесообразно применять модуляцию типа QPSK. При этом обеспечиваются достаточно выгодное соотношение мощности и полосы пропускания бортового оборудования искусственного спутника Земли (ИСЗ), возможность работы в условиях характерной для транспондеров нелинейности, обусловленной амплитудной и фазовой характеристиками бортового усилителя, и простота реализации декодеров, встроенных в спутниковые приемники. В противоположность наземным вещательному и кабельным каналам на спутниковый канал линейные помехи оказывают меньшее влияние. Модуляция типа QPSK применяется совместно со схемой опережающей коррекции ошибок FEC (Forward Error Correction), основанной на взаимодействии алгоритмов кода коррекции ошибок Рида-Соломона и сверточного кода. При этом сверточный код должен иметь гибкую структуру для работы при разных кодовых скоростях, равных 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8. (Знаменатель численного значения кодовой скорости соответствует общему количеству битов кодовой комбинации, а числитель -числу информационных битов. Следовательно, по значению кодовой скорости можно оценить число проверочных символов, добавляемых в каждую кодовую комбинацию), в приемных устройствах в этом случае используются последовательная демодуляция и мягкое декодирование Витерби. Применение QPSK-модуляции позволяет обеспечить устойчивый прием при соотношении сигнал-шум на входе спутникового ТВ приемника до 6 дБ. Для цифровых кабельных ТВ систем, не имеющих ограничений по мощности, позволяющих регулировать отношение сигнал-шум и использующих каналы связи с полосой пропускания 8 МГц, предложено применить модуляцию типа QAM.

На практике модуляция типа QAM-8 обеспечивает удельную скорость передачи данных, равную 3,9 '^/Гц•, a QAM-16 - 4.5^/ZV- Пропускная способность кабельной сети с полосой канала 8 МГц составляет 38,5 Мбит/с при модуляции QAM-64. В кабельных сетях модуляция QAM-64 позволяет при соотношении сигнал-шум на входе цифрового ТВ приемника 24 дБ обеспечивать устойчивый прием.

1. Способ частотного уплотнения с ортогональными несущими (OFDM)


Одним из современных методом передачи информации по радиоканалам является ортогональное частотное мультиплексирование OFDM - (Ortogonal Frequency Division Multiplex).

При использовании модуляции типа OFDM поток данных передается одновременно с помощью большого числа несущих, отстающих друг от друга на равные частотные интервалы А/. В этом случае высокоскоростной поток разделяется на большое число параллельных низкоскоростных потоков N, передаваемых на отдельных несущих. Благодаря этому длительность символа в каждом потоке окажется в тысячи раз больше, чем в исходном последовательном потоке. Таким образом, в одном канале ТВ вещания получается N узкополосных подканалов.

В результате достигается главное - на передачу одного символа на каждой отдельной несущей может быть отведено больше время, чтобы сделать передачу каждого символа независимо от наличия отраженных сигналов, обусловленных многолучевым приемом. Увеличение длительности символа осуществляется путем «распараллеливания» последовательного цифрового потока UBX. Далее каждый из потоков /Ui,/U2,/U3 ... с уменьшенной в k-раз скоростью передачи символов модулируют каждую поднесущую. При этом допускается фазовая (PSK) или квадратурная амплитудная (QAM) модуляция каждой несущей

Число этих несущих выбирается таким, чтобы сделать передачу каждого символа независимой от наличия отраженных сигналов, обусловленных «многолучевым» распространением радиоволн, что характерно для городских условий.

Способ OFDM использует ортогональные несущие, но в отличие от квадратурной модуляции частоты этих несущих не являются одинаковыми, они расположены в диапазоне частот, отведенным для передачи данных путем модуляции с использованием AM, ФМ, QAM (КАМ), OPSK, VSM-AM и т.д.

[/„(/) = СЛ, cos[2^(/o+ п/ Ts)t]. (4-3.)

где n - номер несущей, находящейся в диапазоне от 0 до (N - 1), то есть всего несущих N; Ts -длительность интервала передач одного символа.

Несущие частоты (4.3.) должны выбираться из следующих соображений:

- число несущих должно быть таким, чтобы при неизменной скорости потока данных на входе модулятора OEDM увеличить до требуемой величины время передачи одного символа на каждой несущей;

- несущие должны быть достаточно близки по частоте друг к другу, чтобы сократить занимаемую полосу частоты канала связи;

- частоты несущих должны быть выбраны так, чтобы они нс создавали взаимных помех.

Последнее условие выполняется, если частоты удовлетворяют требованию ортогональности. Физический смысл этого требования заключается в следующем: спектр каждой несущей после модуляции должен иметь «нули» на частотах, на которых расположены остальные несущие. Выполнение этого условия обеспечивает отсутствие взаимных помех и независимую передачу информации на каждой несущей.

На рис. 4.11 показан спектр одной несущей в результате модуляции её сигналом прямоугольной формы.



Соседние Частота Соседние

несущие несущей несущие

Рис. 4.11. Частотный спектр одной несущей COFDM

Поскольку цифровой сигнал кодируется с применением прямой коррекции ошибок, этот процесс модуляции называют кодированным ортогональным частотным уплотнением (COFDM).

Способ COFDM включает в себя распределение высокоскоростного последовательного битового потока по большому числу близко расположенных индивидуальных несущих, разнесенных по отведенной полосе частот; каждая несущая передает только часть общего битового потока. Несущие обрабатываются (или модулируются) одновременно в течение регулярных интервалов времени. Набор несущих, обрабатываемых на каждом интервале, называют символом COFDM.

Вследствие большого числа несущих длительность символа COFDM существенно больше, чем длительность одного бита в исходном битовом потоке. Пусть, например, число модулирующих битов равно 500, причем каждый из них используется в течение 0,1 мкс для обработки (модуляции) 500 несущих с целью формирования символа COFDM. Тогда длительность символа COFDM составит приблизительно 0,1 х 500 = 50 мкс. Большая длительность символа позволяет приемнику ждать, пока не придут все отраженные сигналы, и только после этого произвести оценку и обработку сигнала. Таким образом, отраженные колебания, проходящие в этот период времени, будут улучшать путь прямой передачи. Возможно дальнейшее его улучшение посредствам введения перед символом защитного интервала (называемого также защитной полосой), во время которого приемник ждет перед тем, как начать оценку несущих.

Исходя из условий ортогональности, частоты несущих должны располагаться на оси частот с шагом, обратным величине Ts - времени передачи одного символа. При этом значения каждой частоты определяются выражением:

fk = fo+k^(

где к = 0,1,2 ..., п-1, N.

Расстояние между несущими выбирается равным 1/TS, где Ts - продолжительность модулирующего символа. На рис. 4.12 показан частотный спектр каждой несущей. При использовании всех несущих получается плоский частотный спектр с паразитными боковыми 151

лепестками на каждом его крас (рис 4.13). Введение защитного интервала улучшает частотный спектр, уменьшая вторичные боковые лепестки.



Рис.4.12. Спектр передаваемого сигнала при модуляции OFDM



Рис.4.13. Частотный спектр набора несущих COFDM

Таким образом, получается ряд частот, расположенных равномерно и образующих общий спектр OFDM (рис.4.12), достаточно близко приближающийся к прямоугольной форме, что позволяет эффективно использовать частотный диапазон канала передачи (рис.4.13).

Анализ выражения (4.3) и рис. 4.11 подтверждает, что несущие действительно являются ортогональными. Взаимные помехи от соседних несущих будут равны нулю, несмотря на то, что их соседние боковые полосы взаимно перекрываются. Это позволяет эффективно, близко к теоретическому пределу, использовать полосу частот ТВ канала.

Важным фактором при таком способе модуляции является так называемая «межсимвольная интерференция» (Intersymbol Interferention, ISI), или, по существу, перекрестные искажения. Модуляция OFDM позволяет применить простой прием для борьбы с этим явлением: при увеличении количества несущих частот время на передачу одного символа также увеличивается. Этого увеличения оказывается достаточно для того, чтобы ввести между передаваемыми символами так называемый «защитный интервал» (Guard Interval, GI). Введение защитного интервала позволяет уменьшить межсимвольные помехи и снизить влияние различных «эхо-сигналов», возникающих из-за многолучевого распространения радиоволн. Главное назначение защитного интервала, таким образом, состоит в повышении помехоустойчивости передачи полезной информации.

Таким образом, время, затрачиваемое на передачу одного символа OFDM, состоит из интервала передачи полезной информации и защитного интервала:

TGS = TC + TS,

где TGs- время, затрачиваемое на передачу одного символа; TG- защитный интервал; Ts- время передачи полезной информации.

Схема, иллюстрирующая принцип модуляции типа OFDM, приведена на рис.4.14.



Рис.4.14. Формирование сигнала OFDM

На рис.4.15 показан пример формирования сигнала OFDM с помощью обратного быстрого преобразования Фурье (ОБПФ), которому подвергается входной цифровой поток.

Модуляция и демодуляция выполняются с помощью ДПФ. При модуляции берутся одновременно передаваемые символы всех N подканалов и производится обратное ДПФ, полученного набора из N чисел (рис.4.15). В результате получаются другие N чисел, которые последовательно преобразуются в аналоговую форму ЦАП.

Эти другие N чисел эквивалентны отсчетам сигнала, содержащего N несущих частот (колебаний), промодулированных в соответствии с передаваемыми в этот момент времени в соответствующих подканалах символами.

Полученный таким образом аналоговый сигнал может быть обычным способом перенесен в нужный частотный диапазон преобразователем частоты.

При демодуляции принятый сигнал переносится на промежуточную частоту и преобразуется в цифровую форму (АЦП). Затем в группах по N отсчетов принятого сигнала выполняется прямое ДПФ, в результате которого получаются значения символов, одновременно передаваемых в N подканалах.



Рис.4.15. Формирование радиосигнала OFDM с помощью обратного быстрого преобразования Фурье





























2. Быстрое преобразование Фурье


Набор несущих, формируемых OFDM, очень напоминает то, что получается в алгоритме быстрого преобразования Фурье (БПФ), которое производит разложение непрерывного колебания на частотные составляющие. Для получения непрерывного колебания, которое можно применить для модуляции УВЧ-несущей, над несущими COFDM выполняется обратное быстрое преобразование Фурье (ОБПФ). На приемной стороне сигнал от УВЧ-дсмодулятора поступает на кристалл БПФ для получения исходных несущих COFDM (рис. 4.16).



Рис.4.16. Функциональные схемы передатчика и приемника системы цифрового телевидения типа OFDM


3. Краткая оценка способа OFDM


В системах широкополосного беспроводного доступа (ШБД) основным разрушающим фактором для цифрового канала являются помехи от многолучевого приема. Этот вид помех весьма характерен для эфирного приема в городах с разноэтажной застройкой из-за многократных отражений радиосигнала от зданий и других сооружений.

Радикальным решением этой проблемы является применение технологии ортогонального частотного мультиплексирования OFDM, которая специально разработана для борьбы с помехами при многолучевом приеме. Разновидность технологии - метод COFDM (сочетание канального кодирования, аббревиатура С, и OFDM) - хорошо известен и широко используется в цифровых системах ТВ и радиовещания (DVB) в Европе, Канаде и Японии.

При OFDM последовательный цифровой поток преобразуется в большое число параллельных потоков (субпотоков), каждый из которых передается на отдельной несущей, (см. рисунок 4.12). Частотный разнос А/ между соседними несущими А-А-А ••• А. в групповом радиоспектре OFDM выбирается из условия возможности выделения в демодуляторе индивидуальных несущих. При этом возможно применение двух методов частотного разделения (демультиплексирования) несущих. Во-первых, с помощью полосовых фильтров и, во-вторых, с помощью ортогональных преобразований сигналов.

В первом случае частотный разнос между модулированными несущими выбирается таким, чтобы их соседние боковые полосы взаимно не перекрывались. Это условие будет выполнено, если величину частотного разноса выбрать равной Д/ > 2/Те, где Т6 - рабочий интервал информационного символа. Однако, при этом эффективность использования радиоспектра будет невысокой.

Напротив, стандарт OFDM характеризуется перекрытием спектров соседних поднесущих, что позволяет уменьшить в два раза значение частотного разноса и во столько же раз повысить плотность передачи цифровой информации (бит/с)/Гц. Благодаря ортогональному методу демодуляции поднесущих группового спектра происходит компенсация помех от соседних частот, несмотря на то, что их боковые полосы взаимно перекрываются.

Для выполнения условий ортогональности необходимо, чтобы частотный разнос между несущими был постоянен и точно равен значению^/ > 2/Т6 , то есть на интервале Т6 должно укладываться целое число периодов разностной частоты А - А. Выполнение этого соотношения достигается введением в модеме OFDM двух видов сигналов синхронизации: сигналов для синхронизации несущих частот группового спектра и сигналов для синхронизации тактовых частот функциональных блоков демодулятора.

Группа несущих частот, которая в данный момент времени переносит биты параллельных цифровых потоков, называется «символом OFDM». Благодаря тому, что используется большое число параллельных потоков, длительность символа в параллельных потоках оказывается существенно больше, чем в последовательном потоке данных. Это позволяет в декодере задержать оценку значений принятых символов на время, в течение которого изменения параметров радиоканала из-за действия эхо-сигналов прекратятся, и канал станет стабильным.

Таким образом, при OFDM временной интервал символа субпотока Ts делится на две части -защитный интервал Тс, в течение которого оценка значения символа в декодере не производится, и рабочий интервал символа Те, за время которого принимается решение о значении принятого символа. Для правильной работы системы эхоподавления необходимо, чтобы защитные интервалы находились в начале символов субпотоков, то есть в защитном интервале продолжается модуляция несущей предшествующим символом.

Технически метод OFDM реализуется путем выполнения инверсного дискретного преобразования Фурье (Fast Fourier Transform, FFT) в модуляторе передатчика и прямого дискретного преобразования Фурье - в демодуляторе приемника приемо-передающего устройства.

COFDM хорошо зарекомендовала себя среди вещателей ТВ программ как новый метод доставки цифровых сигналов потребителю. Главным преимуществом метода передачи COFDM является использование многократных отражений излучаемых сигналов от строений, стен и т. п. с коррекцией возникающих при приеме искажений и ошибок. Европейский проект DVB принял этот метод передачи в качестве базового стандарта для непосредственного эфирного вещания ТВ и мультимедийной продукции.

Преимущества технологии COFDM:

• высокое качество изображения из-за использования цифровых методов обработки,

• высокая помехоустойчивость,

• обеспечение, как устойчивого приема, так и проведения трансляций в движении и т. д.

Все это послужило дополнительным импульсом для широкого внедрения новой технологии в различных областях производства телевизионной продукции.

Данный метод передачи имеет следующие достоинства:

• равномерное распределение энергии по полосе частот канала связи,

• возможность передавать наиболее важную часть информации (синхронизацию, НЧ-

составляющие сигнала яркости) на тех участках полосы частот, где меньше всего уровень помех от соседних каналов,

• благодаря тому, что каждый из подканалов является узкополосным, уменьшается влияние отраженных сигналов при многолучевом приеме.

Последнее свойство особенно важно, так как многолучевой прием создает значительные сложности для цифрового ТВ вещания в городах. При использовании OFDM длительности интервалов времени, в течение которых передаются отдельные элементы, увеличиваются и становятся больше, чем времена задержек отраженных сигналов, в результате чего обеспечивается безошибочный прием.

Висновок


При использовании модуляции типа OFDM поток данных передается с помощью большого числа несущих. Подобно квадратурной модуляции, способ OFDM использует ортогональные несущие, но в отличие от квадратурной модуляции частоты этих несущих не являются одинаковыми, они расположены в некотором диапазоне частот, отведенном для передачи данных путем модуляции и кратны некоторой основной частоте, в данном случае fD. На практике частоты несущих соответствуют уравнению

Уп(0 = ио ? cos[2 л (/о +n/Ts) t],

где Л - начало интервала, в котором производится частотное уплотнение;

п - номер несущей, находящейся в диапазоне от 0 до (N-1), т. е. всего несущих N;

Т3 - длительность интервала передачи одного символа.

Каждый из параллельных сигналов поступает на свой модулятор, в котором одна из ортогональных несущих подвергается модуляции какого-либо типа. Например, в качестве первичного метода модуляции отдельных несущих могут использоваться дифференциальная относительная фазовая модуляция (ДОФМ) и квадратурная амплитудная модуляция типа 16-QAM или 64-QAM, а также QPSK. Таким образом, каждая несущая переносит поток данных, уменьшенный в число раз, равное количеству несущих N. После сложения модулированных ортогональных колебаний формируется результирующий сигнал OFDM.

Даже в условиях сравнительно небольшой скорости потока данных, переносимого каждой несущей, возможны межсимвольные искажения, бороться с которыми позволяет защитный интервал перед каждым передаваемым символом. Причем структура и заполнение защитного интервала должны сократить ортогональность принимаемых несущих. Поэтому защитный интервал - это не просто пауза между полезными символами, достаточная для угасания сигнала символа до начала следующего. В защитном интервале передается фрагмент полезного сигнала, что и гарантирует сохранение ортогональности несущих принятого сигнала. Это обеспечивается только в том случае, если эхо-сигнал при многолучевом распространении задержан не более, чем на длительность защитного интервала. Поэтому величина защитного интервала зависит от расстояния между радиопередатчиками в одночастотных сетях ТВ вещания или от задержки естественного эхо-сигнала в сетях вещания с традиционным распределением частотных каналов. Чем больше время задержки, тем больше должна быть длительность защитного интервала. С другой стороны, для обеспечения максимальной скорости передаваемого потока данных защитный интервал должен быть как можно короче. Практически одна четвертая часть от величины полезного интервала является достаточной оценкой максимального значения длительности защитного интервала.

Режим 2к пригоден для вещания одиночным передатчиком и для построения малых одночастотных сетей с ограниченными расстояниями между передатчиками. Режим 8к применяется в тех случаях, когда необходимо построение больших одночастотных сетей. В канале связи с шириной полосы 8 МГц система модуляции OFDM занимает полосу 7,61 МГц, а разнос несущих равен 4464 Гц (режим 2к) или 1116 Гц (режим 8к).

Однако многолучевое распространение радиосигнала в точке приема (довольно типичное для наземного телевидения) приводит к ослаблению и даже полному подавлению некоторых несущих вследствие интерференции прямого и задержанного сигналов. Решению этой проблемы помогает кодирование с целью обнаружения и исправления ошибок в канале передачи данных.

Кодирование превращает OFDM в COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Почему же COFDM более эффективна в условиях многолучевого приема, чем система передачи с одной несущей? Если по каналу связи с резко выраженной неравномерностью частотной характеристики передается одна модулированная несущая, то ослабление отдельных частотных составляющих можно компенсировать с помощью частотного корректора (хотя за счет уменьшения отношения сигнал-шум), но если какая-нибудь составляющая подавлена полностью, то корректирующий фильтр помочь не может в принципе и сигнал претерпевает необратимые искажения. Однако, если данные передаются с помощью частотного уплотнения, то даже полное исчезновение сигналов отдельных несущих не является столь важным, поскольку данные, переносимые этими несущими, могут быть восстановлены за счет канального кодирования.

Контейнер данных COFDM отлично приспособлен к условиям передачи данных в наземном телевидении благодаря возможности раздельной обработки сигналов большого числа несущих. Благодаря применению COFDM возможна организация сетей ТВ вещания с перекрытием частот передающих станций, работающих на одной частоте. Скорость передачи данных в канале связи с модуляцией типа COFDM зависит от вида модуляции несущих, установленных значений кодовой скорости и защитного интервала между символами. Если кодовая скорость находится в пределах от 1/2 до 7/8 (разность между знаменателем и числителем равна числу добавленных проверочных битов), то скорость цифровой передачи составляет: при ОФДМ - 4,98 ... 10,56 Мбит/с; при 16-QAM - 9,95 ...21,11 Мбит/с; при 64-QAM - 14,93 ... 31,67 Мбит/с.

Для достижения требуемой помехоустойчивости модулирующие потоки данных могут кодироваться кодами с разными скоростями.

Список використаної літератури


1 Г. В. Мамчев Основи цифрового телебачення. Учбовий посібник.- Новосибірськ, 2003;

2 Г. В. Мамчев Основи радіозв'язку і телебачення. Навчальний посібник для Внз М., "Гаряча лінія - Телеком", 2007;

3 А. В. Смирнов " Основи цифрового телебачення. Учбовий посібник " 2001 года.



скачати

© Усі права захищені
написати до нас