Общие требования к способам модуляции

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 символами, то скорость передачи данных не может превышать значения 2∆F_к бит/с или 2 бит/с на 1 Гц полосы пропускания канала связи ∆F_к. Предел удельной скорости передачи данных с помощью двоичных символов, равный 2 (бит/с)/Гц, называется также «барьером Найквиста» [35]. Теоретически «барьер Найквиста» может быть преодолен за счет повышения отношения сигнал-шум в канале связи до очень большого значения, что практически невозможно. Поэтому для повышения удельной скорости передачи данных (преодоления «барьера Найквиста») 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 телевизионных приемников) были выбраны способы модуляции одной несущей. Причем в системах цифрового спутникового телевизионного вещания, использующих каналы связи с полосой 27 МГц для непосредственного телевизионного 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, 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 последовав тельная демодуляция и мягкое декодирование Витерби. Применение модуляции QPSK позволяет обеспечить устойчивый прием при соотношении сигнал-шум на входе спутникового телевизионного приемника до 6 дБ.

Для цифровых кабельных телевизионных систем, не имеющих ограничений по мощности, позволяющих регулировать отношение сигнал-шум и использующих каналы связи с полосой пропускания 8 МГц, предложено применять модуляцию типа QAM. За счет применения в кабельных цифровых телевизионных системах модуляции типа QAM отсутствует необходимость во внутреннем коде системы опережающего исправления ошибок.

Каналы связи наземного телевидения со стандартными полоса* ми частот 6,7 и 8 МГц значительно отличаются от каналов спутникового и кабельного телевидения. Практически в любом канале связи наземного телевидения возникают помехи из-за многолучевого приема, обусловленного рельефом местности, и отражений, вызванных как статическими объектами, например зданиями, так и динамическими объектами, например самолетами. В этом случае основным разрушающим фактором для цифрового канала становится интерференция, при которой в декодер поступают две (или несколько) одинаковые по характеру чередования символов, но сдвинутые по времени последовательности. Если задержка одного из лучей становится равной или больше половины длительности символа, происходит резкий рост цифровых ошибок, вплоть до полного разрушения канала.

Каналы связи наземного телевидения отличает высокий уровень промышленных помех. Из-за переполнения частотного диапазона, в котором возможно наземное вещание, велика вероятность интерференционных помех за счет взаимодействия с сигналами совмещенных и соседних каналов. При выборе способа модуляции в наземном цифровом телевидении следует учитывать способность работы в условиях приема на комнатные антенны и антенны портативных телевизионных приемников, а также возможность функционирования в одночастотных сетях. При этом прием сигналов цифрового телевидения в мобильных условиях рассматривается не как обязательное требование, а как желательная возможность. Способность работы в условиях быстроменяющихся характеристик канала связи также не является абсолютным условием. В данном случае примером одночастотной сети может служить сеть синхронных радиопередатчиков малой мощности, располагающихся в зонах плохого приема сигнала основного передатчика и работающих на той же самой частоте, что и основной. Из всех известных способов модуляции сформулированным выше требованиям отвечают два вида многопозиционной модуляции: 8-VSB и OFDM [36].