Передача данных по радиоканалу

Построение сетей передачи данных по радиоканалу во многих случаях надежнее и дешевле, чем сети обмена данными с использованием коммутируемых или арендованным каналов. Для организации связи с подвижными объектами наиболее подходящщее решение — радиосвязь. Каналы общего доступа, такие как каналы сотовых операторов не гарантируют достаточной пропускной способности да и вообще бесперебойной работы.

В условиях, когда отсутствует развитая инфраструктура сетей связи, использование радиосредств для передачи данных зачастую является единственно разумным вариантом организации связи. Сеть передачи данных с использованием радиомодемов может быть оперативно развернута практически в любом географическом регионе. В зависимости от используемых приемопередатчиков и антенн такая сеть может обслуживать своих абонентов в зоне радиусом от единиц до десятков и даже сотен километров. Огромную практическую ценность радиомодемы имеют там, где необходима передача небольших объемов информации (документов, справок, анкет, телеметрии, ответов на запросы к базам данных и т.п.). Особенно если необходимо гарантировать время реакции (ответа) удаленного устройства.

Радио-модемы часто называют пакетными контроллерами (TNC — Terminal Node Controller) по-скольку в их состав входит специализированный контроллер, реализующий функции обмена данными с компьютером, управления процедурами форматирования кадров и доступа к общему радиоканалу в соответствии с реализованным протоколом множественного доступа. Рассматриваемые радиомодемы во многом похожи на интеллектуальные модемы для телефонных каналов КТСОП. Главное же их отличие в том, что радиомодемы ориентированы для работы в едином радиоканале со многими пользователями (в канале множественного доступа), а не в канале типа «точка-точка».

Алгоритмы функционирования пакетных радиосетей регламентируются Рекомендацией АХ.25.

Стандарт АХ.25

Рекомендация АХ.25 устанавливает единый протокол обмена пакетами, т.е. обязательный для всех пользователей пакетных радиосетей порядок осуществления обмена данными. Стандарт АХ.25 представляет собой специально переработанную для пакетных радиосетей версию стандарта Х.25.

Особенность пакетных радиосетей заключается в том, что один и тот же радиоканал используется для передачи данных всеми пользователями сети в режиме множественного доступа. Протокол обмена АХ.25 предусматривает множественный доступ в канал связи с контролем занятости. Все пользователи (абоненты) сети считаются равноправными. Прежде чем начать передачу радиомодем проверяет свободен канал или нет. Если канал занят, то передача своих данных радиомодемом откладывается до момента его освобождения. Если радиомодем обнаруживает канал свободным, то он сразу же начинает передачу своей информации. Очевидно, что в тот же самый момент может начать передачу и любой другой пользователь данной радиосети. В этом случае происходит наложение (конфликт) сигналов двух радиомодемов, в результате чего их данные с высокой вероятностью серьезно исказятся под воздействием интерференционных помех. Радиомодем-передатчик узнает об этом получив отрицательное подтверждения на переданный пакет данных от радиомодема-получателя или в результате превышения времени тайм-аута. В такой ситуации он обязан будет повторить передачу этого пакета по уже описанному алгоритму. По-скольку пауза перед следующей попыткой связи задается у каждого устройства случайным образом, то вероятность того, что в следующий раз модемы начнут передачу одновременно крайне низка.

При пакетной связи информация в канале передается в виде отдельных блоков — кадров. В основном их формат соответствует формату кадров известного протокола HDLC, однако есть отличия, рассматриваемые далее.

Формат кадров

Согласно Рекомендации АХ.25 кадры подразделяются на служебные и информационные и имеют следующий формат:

FLAG ADRES CONT CRC-16 FLAG
011111110 14-70 байт 1 байт 2 байт 011111110
FLAG ADRES CONT INFORM CRC-16 FLAG
011111110 14-70 байт 1 байт до 256 байт 2 байт 011111110

Начало и конец кадра отмечаются флагами FLAG, т.е. комбинациями вида «011111110», что облегчает прием кадра на фоне помех. Поле адреса ADRES содержит адреса отправителя, получателя и станций — ретрансляторов, если таковые имеются. Размер адресного поля может составлять от 14 до 70 байт.

Поле управления CONT определяет тип кадра: информационный или служебный. Служебные кадры, в свою очередь, могут подразделяться на супервизорные и ненумерованные. Супервизорные кадры служат для подтверждения приема неискаженных помехами кадров или для запроса повторной передачи искаженных кадров. Ненумерованные кадры предназначены для установления логического соединения и в случаях управления обменом в сети.

Длина информационного поля INFORM, представляющая собой пакет сетевого уровня, в пакетных радиосетях обычно не превышает несколько сотен байт. Увеличение длины информационного поля приводит к повышению вероятности поражения помехой и возрастанию времени ожидания передачи пакетов другими пользователями.

При реализации сетевого (третьего) уровня протокола АХ.25 используется поле определения протокола, которое выступает как часть информационного поля и является необязательным.

Контрольное поле кадра (CRC-16) предназначено для обнаружения ошибок в кадре при его передаче.

Адресное поле может содержать от двух до десяти логических адресов. Простейшим случаем является адресное поле из двух адресов (два пользователя). Если пользователи находятся вне зона радиовидимости, то могут использовать радиомодемы других пользователей сети в качестве ретрансляторов. Таких ретрансляторов для одного логического канала может быть до восьми. Адреса ретрансляторов также присутствуют в адресном поле кадра. Таким образом поля адреса делится на три подполя: получателя, отправителя и ретранслятора. Формат адресного поля следующий:

Получатель Отправитель Ретранслятор
Адрес (6 байт) SSID Адрес (6 байт) SSID Адрес (6 байт) SSID

Занесенные в него адреса могут состоять не более чем из шести символов. Если адрес состоит менее чем из шести символов, он дополняется соответствующим количеством пробелов.

После адреса в каждом подполе идет вторичный идентификатор пользователя (абонента) SSID (Secondary Station IDentifier). Это некоторое число от 0 до 15. Оно определяет уровень сервиса данного пользователя, например, что он имеет несколько станций пакетной радиосвязи, работающих в разных диапазонах, поддерживает функции электронного почтового ящика BBS, или является сетевым узлом — ретранслятором NET/ROM. Обычный пользователь работает без вторичного идентификатора или с идентификатором равным 1. Идентификатор BBS и узловой станции может быть равен значениям от 2 до 9. При прохождении кадра транзитом через узел NET/ROM вторичный идентификатор получает значения от 10 до 15, в зависимости от того, через сколько узловых станций он прошел.

Значение идентификатора в двоичном виде занимает четыре бита — со второго по пятый в байте, следующем после каждого адреса. Первый бит этого байта используется как признак конца адресного поля.

Если он равен единице, то это признак последнего банта адресного поля. Для шестого и седьмого битов рассматриваемого байта нет определенного назначения, и они могут использоваться в отдельных сетях по усмотрению ее пользователей или администратора сети, если такой имеется.

Восьмой бит в последнем байте подполя отправителя и получателя всегда устанавливается в нуль. В подполе ретранслятора его устанавливают в единицу, если кадр прошел через ретранслятор, и в нуль, если нет. Установление бита ретранслятора необходимо для того, чтобы ретрансляторы, находящиеся в зоне радиовидимости друг друга, следовали очередности передачи кадров через себя и выполняли эту процедуру строго в порядке, указанном отправителем кадра.

Управляющее поле содержит информацию о типе кадра, которая используется для определения назначения сообщения. Протокол АХ.25 использует три основных типа кадров: I — информационные, содержащие информацию пользователя либо прикладного процесса; S — супервизорные (служебные), подтверждающие правильный прием кадра или содержащие запрос на выдачу очередного информационного кадра; U — ненумерованные кадры, управляющие запросами на соединение-разъединение.

Кроме того, управляющее поле содержит номер кадра, который ожидает принять радиомодем корреспондента-получателя. Для повторной передачи искаженных кадров используются механизм ARQ типа GBN и SR.

Информационное поле кадра содержит информационный пакет размером до 256 байт. При передачи текстовой информации в терминальном режиме информационное поле представляет собой последовательность символов пользователя, которые при приеме отображается на экране компьютера корреспондента.

Иногда первый байт информационного поля выступает в качестве самостоятельного подполя-идентификатора протокола. Это происходит при использовании сетевого (третьего) уровня протокола АХ.25 при прохождении пакета через станции NET /ROM.

Контрольное поле кадра, как и в других протоколах, служит для проверки правильности передачи данных. Формирование контрольного поля кадра происходит при использовании образующего полинома CRC-1 б ^x^=-c +х +х +1 в соответствии с алгоритмом, приведенным в Рекомендации ISO 3309, аналогично правилам формирования контрольного поля кадра протоколов HDLC и V.42. При приеме также подсчитывается контрольное поле, которое сравнивается с принятым значением. При несовпадении контрольных последовательностей осуществляется запрос повторной передачи кадра.

Физическая реализация радиомодемов

Типичная станция пакетной связи включает в себя компьютер (обычно портативный типа notebook), собственно радиомодем (TNC), приемопередатчик (радиостанция) УКВ или КВ-диапазона.

Современные интергальные радиомодемы выполнены в едином корпусе, содержащем контроллер портов, контроллер управления передатчиком, специализированный приемопередатчик с малым временем переключения прием/передача.

Компьютер взаимодействует с радиомодемом посредством одного из известных итерфейсов DTE—DCE. Практически всегда применяется последовательный интерфейс RS-232.

Передаваемые из компьютера в радиомодем данные могут быть либо командой, либо информацией, предназначенной для передачи по радиоканалу. В первом случае команда декодируется и исполняется, во втором — формируется кадр в соответствии с протоколом АХ.25. Перед непосредственной передачей кадра последовательность его битов кодируется линейным кодом без возврата к нулю NRZ-I (Non Return to Zeroln-verted). Согласно правила кодирования NRZ-I перепад физического уровня сигнала происходит в случае, когда в исходной последовательности данных встречается нуль.

Временная диаграмма, поясняющая процесс кодирования кодом NRZ-I приведена на следующем рисунке:

Пакетный радиомодем представляет собой совокупность двух устройств: собственно модема и собственно контроллера TNC. Контроллер и модем связаны между собой четырьмя линиями: TxD — для передачи кадров в коде NRZ-I, RxD — для приема кадров от модема также в коде NRZ-I, РТТ — для подачи сигнала включения модулятора и DCD — для подачи сигнала занятости канала с модема к контроллеру. Обычно модем и пакетный контроллер конструктивно выполняются в одном корпусе. Это и является причиной того, что пакетные радиомодемы называют контроллерами TNC.

Перед передачей кадра контроллер включает модем с помощью сигнала по линии РТТ, а по линии TxD посылает кадр в коде NRZ-I. Модем модулирует получаемую последовательность в соответствии с принятым способом модуляции. Промодулированный сигнал с выхода модулятора поступает на микрофонный вход MIC передатчика.

При приеме кадров модулированная последовательностью импульсов несущая поступает с выхода EAR приемника радиостанции на вход демодулятора. С демодулятора принятый кадр в виде последовательности импульсов в коде NRZ-I поступает в контроллер пакетного радиомодема.

Одновременно с появлением в канале сигнала в модеме срабатывает специ альный детектор, вырабатывающий на своем выходе сигнал занятости канала. Сигнал РТТ, помимо включения модулятора, также выполняет функцию переключения мощности передачи. Обычно она реализуется посредством транзисторного ключа, который переключает приемопередатчик с режима приема в режим передачи.

В пакетной радиосвязи на базе типовых радиостанций применяются два способа модуляции для коротких и ультракоротких волн. На KB используется однополосная модуляция для формирования канала тональной частоты в радиоканале. Для передачи данных применяется частотная модуляция поднесущей в полосе частот телефонного канала 0,3 до 3,4 кГц. Значение частоты поднесущей может быть различной, а разнос частот всегда равен 200 Гц.

В таком режиме обеспечивается скорость передачи, равная 300 бит/с. В Европе обычно используется частота 1850 Гц для передачи «0» и 1650 Гц для «1».

В У KB диапазоне чаще работают на скорости 1200 бит/с при использовании частотной модуляции с разносом поднесущих частот 1000 Гц. Принято, что «0» соответствует частота 1200 Гц, а «1» — 2200 Гц. Реже в диапазоне УКВ применяют относительную фазовую модуляцию (ОФМ). В этом случае достигаются скорости передачи 2400, 4800, а иногда 9600 и 19200 бит/с.

В качестве примера в следующей таблице приведены сравнительные характеристики некоторых промышленно выпускаемых пакетных радиомодемов.

Характеристика РК-88 РК-900 DSP-2232 СТЕК АТМА
Скорость передачи, Кбит/с 0,3,0,6,1.2, 2,4, 4,8. 9,6 0,3-19,2 0,3-19,2 1,2 2,4
Объем ПЗУ, Кбит 32 256 384
Объем ОЗУ, Кбит 64 64
Выходной уровень, мВ 5300 5-100 5-100
Вес, кг 1,1 2,84 1,7 4,5 1,5
Габариты, мм 191х152х38 300х305х89 305х249х74 330х270х90 220х270х45

10.4. Применение радиомодемов

Для успешного использования радиомодема необходимо правильное

Применение радиомодемов

Для успешного использования радиомодема необходимо правильное его подключение к компьютеру с одной стороны, и к радиостанции — с другой.

Для подключения радиомодема к компьютеру при использовании последовательного интерфейса RS-232 необходимо обратить внимание на правильность (одинаковость) установки параметров обмена между компьютером и радиомодемом: скорость, размер информационного символа (7 или 8 бит), четность (Even — четный бит, Odd — нечетный, Mark — всегда 1, Space — всегда 0) и число стоповых бит (1, 1,5 или 2). Эти параметры в радиомодемах устанавливаются DIP-переключателями, реже перемычками или программно.

Во многих современных моделях радиомодемов реализована автоматическая настройка на требуемую скорость обмена с компьютером. Особое внимание следует обратить на используемый протокол управления потоком: аппаратный или программный. При этом каждому из протоколов должен соответствовать свой соединительный кабель с соответствующей распайкой.

Радиомодем со встроенным контроллером является интеллектуальным устройством. Он выполняет множество функций и имеет свою систему команд. По этой причине не обязательно подключать к нему персональный компьютер, в простейшем случае достаточно терминала. Компьютер удобнее тем, что позволяет записывать в память принятую информацию, подготавливать к передаче данные и выполнять ряд других сервисных функций.

Для совместной работы радиомодема и компьютера, последний необходимо перевести в режим терминала с помощью любой из доступных терминальных программ. Такие программы существуют для любых типов компьютеров. Наиболее известными терминальными программами для IBM PC-совместимых компьютеров являются TELIX, PROCOMM, МТЕ, QMODEM и т.д. Использовать можно любую из них. Существуют и специализированные терминальные программы для пакетной связи, например, PC-Pacratt — для Windows, Мас-RATT — для компьютеров Macintosh, COM-Pacratt — для компьютеров Commodore. Также разработаны и имеются в продаже программы передачи факсов в пакетных радиосетях. Это программы AEA-FAX, АЕА WeFAX и ряд других. Продаваемые радиомодемы, как правило, комплектуются дискетой с терминальной программой.

Сдерживающим фактором применения для радиомодемов всего спектра программного обеспечения, разработанного для обычных модемов, является система команд управления радиомодема, отличная от набора АТ-команд.

Единого рецепта для подключения радиомодемов и радиостанций разных типов нет и быть не может. Однако можно сделать несколько общих замечаний.

Наиболее просто подключить радиостанцию, имеющую разъем для выносной гарнитуры, — устройства, совмещающего функции микрофона, телефона (громкоговорителя) и переключателя управления приемом/передачей радиостанции. В этом случае подключение сводится к изготовления соединительного кабеля от радиомодема к приемопередатчику. При этом, как и в любом другом случае, необходимо тщательно изучить техническую документацию как на радиомодем, так и на радиостанцию, особенно, касающуюся цепей коммутации.

Если радиостанция не имеет разъема для выносной гарнитуры, то придется либо отказаться от ее использования, либо вскрывать корпус и подключаться непосредственно к схеме станции, опять же руководствуясь документацией. Такая модернизация радиостанции является довольно сложным и рискованным делом и должна производится квалифицированными специалистами.

Способы передачи цифровых сигналов по радиоканалу

Один из возможных вариантов реализации передачи информации на многих несущих показан на рис. 8. Реализовать тысячи генераторов и модуляторов – совершенно нереально, поэтому этот вариант непригоден для практики. Рассмотрим альтернативный метод модуляции несущих колебаний. Независимо от способа (QPSK или QAM) модулированное колебание представляет собой сумму синфазной компоненты (косинусоиды) с амплитудой, равной вещественной части нормированного комплексного модуляционного символа Re{c}=cI, и квадратурной компоненты с амплитудой, равной мнимой части модуляционного символа Im{c}= cQ. Значения модуляционных символов в процессе передачи меняются в соответствии с передаваемыми данными. Таким образом, надо умножать опорное синфазное колебание на вещественные части комплексных символов cI, квадратурное колебание — на мнимые части cQ, а результаты перемножения — складывать.

Эту операцию можно выполнять различными способами. Например, можно все эти действия выполнять в цифровой форме, а обработанные данные подвергать затем цифроаналоговому преобразованию. Но можно сначала осуществить цифроаналоговое преобразование вещественной и мнимой частей комплексных модуляционных символов, а умножение их на синфазное и квадратурное колебания (а это есть не что иное, как амплитудная модуляция) и сложение выполнять в аналоговой форме.

Эти преобразования стали реальными после того, как сравнили требуемые действия при модуляции с обратным преобразованием Фурье.

Если попытаться максимальное количество действий выполнить в комплексной форме (а для этого есть основания, поскольку для операций с комплексными колебаниями разработано много быстрых алгоритмов), то сигнал несущей с номером n и частотой fn, модулированной символом cn, может быть записан в виде вещественной части произведения комплексного модуляционного символа cn и комплексной экспоненты, или комплексного колебания с частотой fn:

(1)

Частота fn представляет собой n-тую гармонику основной частоты 1/TU, то есть величины, обратной длительности полезной части символа и равной расстоянию между частотами соседних несущих. Сигнал OFDM, записанный на интервале одного символа, представляет собой сумму всех несущих колебаний, модулированных своими модуляционными символами:

(2)

где суммирование выполняют по всем значениям n от nmin до nmax.

Можно сначала выполнить суммирование, а затем взять его вещественную часть. Поскольку цифровая система передачи данных — система с дискретным временем, то при вычислениях в цифровой форме вместо непрерывной переменной t надо подставить ее дискретный аналог kT:

, (3)

где T — интервал дискретизации (системная тактовая частота), а k — номер отсчета, — число отсчетов сигнала (или гармонических составляющих, они равны).

Имеет смысл сравнить выражение (3) с формулой обратного дискретного преобразования Фурье:

(4)

Последняя формула также предполагает действия с комплексными числами. Она позволяет вычислить значения сигнала в моменты kT путем суммирования его гармонических составляющих с известными комплексными амплитудами (здесь N — число отсчетов сигнала и соответственно число его составляющих (включая постоянную), которое может быть рассчитано в дискретной форме, причем суммирование выполняют по всем n от 0 до (N-1)). При описании сигнала формула позволяет перейти из частотной области во временную, используя для этого суммирование всех гармонических составляющих сигнала, которые являются ортогональными.

Примечание: , т. е. комплексное число, где — коэффициенты при косинусах, а — при синусах.

Надо отметить, что формулы (3) и (4) аналогичны, ведь радиосигнал OFDM на интервале символа также представляет собой результат суммирования ортогональных гармонических колебаний с заданными в процессе обработки и кодирования данных амплитудами. Более того, формулы для обратного преобразования Фурье и радиосигнала OFDM становятся тождественными, если положить ( — длительность длинного символа OFDM, а- системная тактовая частота) и ввести в формулу для сигнала OFDM суммирование от 0 до (N-1), причем считать нулевыми значения модуляционных символов для вновь введенных дополнительных номеров. Тогда становится ясным, что частотное уплотнение с ортогональными несущими представляет собой обратное дискретное преобразование Фурье (точнее, его вещественную часть).

Можно использовать не только вещественную, но и мнимую части вычисленного обратного преобразования Фурье. Выполним в соответствии с формулой обратного преобразования Фурье вычисление и вещественной и мнимой частей (мнимая часть обозначается как , вещественная — обозначается здесь, как и дает уже описанный сигнал s(t)):

Умножим вещественную часть на колебание с частотой F0 (будем называть его «синфазным»), а мнимую часть — на квадратурное колебание той же частоты (сдвинутое по фазе по отношению к синфазному на 90°). Тогда суммирование полученных произведений дает сигнал OFDM, спектр которого смещен на частоту F0. Такая операция соответствует преобразованию частоты, которое неизбежно используют для переноса радиосигнала в полосу частот выбранного канала вещания:

Именно такое преобразование иллюстрирует схема формирования радиосигнала OFDM (рис. 12).

На вход модулятора поступает цифровой сигнал, обрабатываемый словами по N*M бит, где N — число информационных несущих, M — число бит, передаваемых на одной несущей (например при использовании битовых карт КАМ64 M=lg264=6). После этого производят преобразование из последовательного кода в параллельные N посылок по M бит, которые модулируются согласно битовым картам, выходной сигнал с которых (X0, X1,… Xn-2, Xn-1) поступает на вход обратного дискретного преобразователя Фурье (FFT-1), где путем преобразования входных значений из спектральной во временную область производится OFDM модуляция. Получившиеся на выходе обратного FFT квадратурные составляющиеся переводятся из цифровой в аналоговую форму и переносятся в область радиочастот умножением на квадратурные составляющие сигнала с генератора радиочастоты, и полученный сигнал радиочастоты передается в эфир.

В демодуляторе сигнал сначала разделяется на квадратурные составляющие и переносится в область низких частот путем перемножения на квадратурные составляющие сигнала с генератора радиочастоты. После этого квадратурные составляющие фильтруются и поступают на аналого-цифровой преобразователь. Цифровые квадратурные сигналы поступают на прямой преобразователь Фурье (FFT), где в результате дискретного преобразования Фурье они демодулируюся и на выходе и образуют N посылок (Y0, Y1,.. Yn-2, Yn-1, переводящихся в детекторах бит в N потоков по M бит, после чего собираются в цифровой поток s преобразованием параллельного потока в последовательный.

В стандарте DVB-T предусмотрено два варианта, различающихся числом использованных несущих частот: и , где , что соответствует 10-разрядному кодированию: В результате получаем 2048 и 8192 несущих, из которых используют 1705 ( Гц) и 6817 ( Гц) параллельных потоков. Число несущих оказывается меньшим, чем декларировано, поскольку часть несущих не используют, чтобы организовать зазор между каналами. Передаваемый сигнал состоит из кадров по 68 символов OFDM. Четыре символа образуют суперкадр, содержащий целоечисло пакетов длиной 188 байт + дополнительные байты для реализации помехоустойчивого кодирования. Чем длиннее символ, тем больше времени можно оставить для защитного интервала. Поэтому система лучше защищена от помех, но требует более совершенный процессор для обработки сигналов с двоичной емкостью в 8192 бита.

Минимальная полезная скорость передачи — 4.98 Мбит/с реализуется при использовании QPSK модуляции, R=l/2 и относительной длине защитного интервала 1/4Т. Следует отметить, что такой набор параметров обеспечивает максимальную помехозащищенность системы и максимальное допустимое расстояние между передатчиками. Максимальная полезная скорость 31.67 Мбит/с достигается при использовании модуляции 64-QAM, R=7/8 и относительной длине защитного интервала 1 /32Т. Эта скорость является достаточной для передачи 5-6 программ, не предназначенных для пере компрессирования. То есть полоса канала будет использоваться в 5-6 раз эффективнее, чем при аналоговом вещании.

Способы передачи цифровых сигналов по радиоканалу

У несущего колебания есть следующие параметры: амплитуда, частота и фаза. Под действием аналогового сигнала один из этих параметров приобретает любые значения. Под действие цифрового сигнала – только ряд фиксированных значений.

Этот вид модуляции называют манипуляцией. Передаваемый сигнал можно в результате манипуляции можно представить в следующей форме

Для передачи цифровых сигналов применяют амплитудную манипуляцию АМ, в иностранной литературе называемой ASK (Amplitude Shift Keying), частотная ЧМ – FSK (Frequency Shift Keying); фазовая модуляция ФМ – PSK (Phase Shift Keying).

Качество того или иного вида модуляции оценивают по таким показателям:

· Эффективность использования частотного спектра;

· Минимально необходимое (пороговое) соотношение сигнал-шум;

· Стойкость к ухудшению условий приема (помехи и особенно многолучевое распространение сигнала – отражения от соседних зданий).

Помехи наземному ЦТВ принципиально не отличаются от помех в аналоговых системах, поскольку работа первых предусматривалась в рамках тех же национальных частотных сеток вещания, что позволило учесть опыт распространения обычного ТВ метрового и особенно дециметрового диапазонов волн в реальных условиях. Для радиоволн этих длин характерно «неумение» огибать препятствия и способность хорошо отражаться от них. Если наряду с основным радиосигналом принимается сигнал, отраженный от какого-либо препятствия и пришедший к приемной антенне с задержкой, на экране аналогового приемника появляется повтор – копия изображения, сдвинутая по горизонтали. На практике в точку приема приходит многолучевой сигнал, состоящий из прямого и нескольких отраженных с различными задержками и фазовыми сдвигами относительно прямого луча эхосигналов. Подключив телевизор к комнатной антенне, легко увидеть, что при приеме сигнала даже с находящейся в прямой видимости телевышки «картинка» может существенно искажаться, например, если двигаться в данном помещении. В комнате образуются стоячие волны, и тело человека может менять их картину. Положение максимумов и минимумов стоячих волн зависит от частоты сигнала, и поэтому в точке приема разные частотные компоненты спектра сигнала могут избирательно подавляться.

Общеизвестный метод борьбы с многолучевостью – применение направленных наружных антенн. Однако при приеме на слабонаправленную комнатную антенну или в процессе движения он малопригоден. Кроме этого, к появлению помех, аналогичных помехам от отраженных сигналов, приводит использование одной частоты передатчиками с перекрывающимися зонами покрытия (так называемая одночастотная сеть). Часто оказывается выгодным осуществлять передачу не с одного мощного передатчика, а с целого ряда распределенных в пространстве сравнительно маломощных передатчиков, синхронно работающих на одной частоте. Это позволяет избежать точек неуверенного приема, которые неизбежны при работе одного передатчика (загороженного высотным зданием, например). Для синхронизации таких передатчиков используют сигналы GPS, передаваемые каждую секунду!

Даже с учетом того, что пороговое отношение сигнал/шум (C/Ш) для ЦТВ примерно в 5¸10 раз лучше, принимая во внимание пороговый эффект в ЦТВ (либо качественное изображение без сетки, муара и прочих свойственных аналоговому искажений, либо темный экран), обеспечению надежности приема в стандарте было уделено первостепенное значение.

Реальная скорость компрессированных данных на выходе кодера MPEG-2 составляет 4..5 Мбит/с. Средняя же скорость на ТВ-программу в цифровом потоке из 10 программ обычно меньше и находится в пределах 3,7..3,9 Мбит/с. Статистика показывает, что ежегодно за счет улучшения характеристик кодеров и декодеров MPEG-2 средняя скорость цифрового потока для передачи одной программы снижается на 5..7% и вскоре может составить 3 Мбит/с.

Для передачи по канала связи ТВ-сигналов высокой четкости стандартом рекомендовано использовать основной профиль–высокий уровень (MP@HL). В этой комбинации предусматривается 1125 (1080) активных строк в кадре с чересстрочным (I) или прогрессивным (P) разложением и 1920 отсчетов в активной части строки для яркостного сигнала и по 960 для CR и CB. Общее количество отсчетов в полной строке составляет 2640 для Y и по 1320 для CR и CB. При частоте кадров 25 Гц частота строк составляет 28125 Гц. Прогрессивный способ развертки допускает использование сегментных кадров (PsF), состоящие из нечетных и четных строк изображения. Средняя скорость компрессированных данных одной программы высокой четкости в стандарте MPEG-2 составляет около 18 Мбит/с и эта величина имеет тенденцию к снижению.

Тем не менее, применить двухпозиционное манипулирование, т. е. передачу двоичных кодов, кода используют только два уровня сигнала, оказывается невозможным для канала с шириной полосы в 8 МГц. Эффективность использования по частоте увеличивается при росте числа состояний, которые может принимать исходный сигнал, т. е. речь идет об использовании кодов с основанием большем, чем 2. Обычно используют числа равные степени двойки — . Предположим, используют трехразрядный двоичный код, с помощью которого можно передать 8 различных символов. Такой сигнал можно передать на несущей частоте, используя 8 дискретных значений фазы – через 450.. Эффективность использования частотного диапазона повышается в три раза, так как на несущей частоте теперь передают символы, содержащие три бита, а не один. Скорость передачи данных равна частоте следования символов, умноженный на логарифм по основанию 2 числа уровней (позиций при модуляции) : .Обращаю внимание, что используют код, у которого соседние кодовые комбинации отличаются не более, чем на единицу! Это снижает вероятность больших ошибок при некачественном приеме! Это так называемый код Грея!

Однако, чем больше состояний может принимать модулируемый параметр, тем меньше расстояние между этими состояниями и, следовательно, снижается помехоустойчивость передачи. Ухудшение условий приема на отдельных частотах – замирания весьма распространенное явление. Более устойчивы к этим помехам широкополосные виды модуляции. Кроме того, следует учитывать эффект Доплера при приеме ТВ передач на мобильном объекте (автомобиле). Обычно ограничиваются скоростями до 150 км/час.

Обзор АСКУЭ с передачей данных по радиоканалу

Технология передачи данных по радиоканалу довольно популярна, и многие производители электросчетчиков обратили на нее внимание.

Главные плюсы такой технологии: дешевизна, простота, дальность действия (до 10 км) и низкое энергопотребление (возможна автономная работа от батарейки до 10 лет).

Для беспроводного обмена данными используются радиочастотные диапазоны, не требующие оформления разрешений. В России для этих целей выделены частотные диапазоны 433.075-434.750 МГц, 868,7-869,2 МГц и 2400-2483,5 МГц.

Диапазоны 433 и 868 очень хорошо зарекомендовали себя в условиях плотной городской застройки, радиоволны хорошо проникают сквозь бетонные конструкции, и не сильно ослабевают, проходя через кирпичную кладку.

Диапазон 433 используется дольше остальных, поэтому на этих частотах работает большое количество устройств, радиоэфир сильно загружен и сильно «засорен» помехами особенно в городских условиях. АСКУЭ, работающая на этих частотах применима исключительно в сельской местности.

Для диапазона 868 разрешена мощность в 2,5 раза больше, чем у 433, поэтому антенны менее громоздкие. Также на этих частотах меньше уровень фоновых и индустриальных помех. В настоящее время при выполнении систем АСКУЭ в РФ этот диапазон частот не нашел широкого применения, однако технологии, использующие частоты 868 МГц, будут развиваться.

О стандарте передачи данных ZigBee

Стандарт ZigBee предусматривает частотные каналы в диапазонах 868 МГц, 915 МГц и 2,4 ГГц. Наибольшие скорости передачи данных и наивысшая помехоустойчивость достигаются в диапазоне 2,4 ГГц.

Поэтому большинство производителей микросхем выпускают приемопередатчики именно для этого диапазона, в котором предусмотрено 16 частотных каналов с шагом 5 МГц (полоса частот 2400-2483,5 МГц).

Скорость передачи данных вместе со служебной информацией в эфире составляет 250 кбит/c . При этом средняя пропускная способность узла для полезных данных в зависимости от загруженности сети и количества ретрансляций может лежать в пределах 5 … 40 кбит/с.

Расстояния между узлами сети составляют десятки метров при работе внутри помещения и сотни метров на открытом пространстве. За счет ретрансляции зона покрытия сети может значительно увеличиваться.

В основе сети ZigBee лежит ячеистая топология (mesh-топология). В такой сети, каждое устройство может связываться с любым другим устройством как напрямую, так и через промежуточные узлы сети. Ячеистая топология предлагает альтернативные варианты выбора маршрута между узлами. Сообщения поступают от узла к узлу, пока не достигнут конечного получателя. Возможны различные пути прохождения сообщений, что повышает доступность сети в случае выхода из строя того или иного звена.*

* по материалам сайта http://www.wless.ru

Чтобы наглядно понять преимущества технологии ZigBee представим 15-ти этажный жилой, где все счетчики оборудованы ZigBee-модемами. Если мощность сигнала модемов на всех этажах одинакова и ее хватает только на преодоление 4-х этажей, то для счетчиков 15 этажа маршрут может быть следующий: 15 этаж – 11 этаж -7 этаж – 3 этаж – подвал. Если на 11 этаже маршрутизатор перестанет работать, то сеть автоматически инициирует поиск нового маршрута, который может получиться следующим: 15 этаж – 12 этаж — 8 этаж – 4 этаж – подвал.

Такой подход повышает работоспособность и помехоустойчивость всей сети и дальность связи, даже если каждый модем в отдельности является маломощным устройством.

Способы организация передачи информации по радиоканалу

В беспроводных радиоканалах передача информации осуществляется с помощью радиоволн. В информационных сетях используются волны частотой от сотен мегагерц до десятков гигагерц.

Для организации канала передачи данных в диапазонах дециметровых волн (902…928 МГц и 2,4…2,5 ГГц) требуется регистрация в Госсвязьнадзоре. Работа в диапазоне 5,725…5,85 ГГц лицензирования не требует.

Чем выше рабочая частота, тем больше емкость (число каналов) системы связи, но тем меньше предельные расстояния, на которых возможна прямая передача между двумя пунктами без ретрансляторов. Стремление к увеличению числа каналов порождает тенденцию к освоению новых более высокочастотных диапазонов.

Радиоканалы используются в качестве альтернативы кабельным системам при объединении сетей отдельных подразделений и предприятий
в корпоративные сети. Радиоканалы являются необходимой составной частью в спутниковых и радиорелейных системах связи, применяемых в территориальных сетях, а также в сотовых системах мобильной связи.

Радиосвязь используют в корпоративных и локальных сетях, если затруднена прокладка других каналов связи. Во многих случаях построения корпоративных сетей применение радиоканалов оказывается более дешевым решением по сравнению с другими вариантами.

Радиоканал позволяет:

· выполнять роль моста между подсетями;

· быть общей средой передачи данных в ЛВС;

· служить соединением между центральным и терминальными узлами в сети с централизованным управлением;

· соединять спутник с наземными станциями.

Радиомосты используют для объединения между собой кабельных сегментов и отдельных ЛВС в пределах прямой видимости и организации магистральных каналов в опорных сетях. Они выполняют ретрансляцию
и фильтрацию пакетов. При этом осуществляется двухточечное соединение с использованием направленных антенн. Дальность связи ограничивается пределами прямой видимости (обычно до 15…20 км с расположением антенн на крышах зданий). Мост должен иметь два адаптера: один для формирования сигналов в радиоканале, другой – для приема сигнала в кабельной подсети.

При использовании радиоканала в качестве общей среды передачи данных сеть называют RadioЕthernet (стандарт IEEE 802/11). Обычно такую сеть применяют внутри зданий. В состав аппаратуры входят приемопередатчики и антенны. Связь осуществляется на частотах от одного до нескольких гигагерц. Расстояния между узлами не превышают несколько десятков метров.

В соответствии со стандартом IEEE 802/11 возможны два способа передачи двоичной информации в ЛВС с обеспечением защиты информации от нежелательного доступа.

Первый способ называют методом прямой последовательности DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum). В нем защита информации основана на избыточности — каждый бит данных представлен последовательностью из 11-ти элементов («чипов»). Эта последовательность создается с помощью алгоритма, известного участникам связи, и поэтому ее можно дешифрировать при приеме.

Сохранение высокой скорости обеспечивается расширением полосы пропускания. В DSSS по IEEE 802/11 информационная скорость может доходить до 6 Мбит/с. При этом полоса пропускания составляет 22 МГц в диапазоне частот 2,4 ГГц.

Следует заметить, что избыточность повышает помехоустойчивость. Действительно, помехи обычно имеют более узкий спектр, чем 22 МГц, и могут исказить часть “чипов”, но высока вероятность того, что по остальным “чипам” значение бита будет восстановлено. При этом не нужно стремиться к большим значениям отношения сигнал/помеха, сигнал становится шумоподобным, что и обусловливает, во-первых, дополнительную защиту от перехвата, во-вторых, не создает помех, мешающих работе другой радиоаппаратуры.

Второй способ – метод частотных скачковFHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum). Согласно этому методу полоса пропускания по IEEE 802/11 делится на 79 поддиапазонов. Передатчик периодически (с шагом 20…400 мс) переключается на новый поддиапазон, причем алгоритм изменения частот известен только участникам связи и может изменяться синхронно, что и затрудняет несанкционированный доступ к данным.

Вариант использования радиоканалов для связи центрального и периферийного узлов отличается тем, что центральный пункт имеет ненаправленную антенну, а в терминальных пунктах при этом применяются направленные антенны. Дальность связи составляет десятки метров, а вне помещений – сотни метров.

Спутниковые каналы являются частью магистральных каналов передачи данных. В них спутники могут находиться на геостационарных (высота 36 тыс.

км) или низких орбитах. В случае геостационарных орбит заметны задержки на прохождение сигналов (к спутнику и обратно около 500 мс). Покрытие поверхности всего земного шара возможно с помощью четырех спутников.

В низкоорбитальных системах обслуживание конкретного пользователя происходит попеременно разными спутниками. Чем ниже орбита, тем меньше площадь покрытия и, следовательно, требуется или больше наземных станций, или необходима межспутниковая связь, что, естественно, приводит к утяжелению спутника. Число спутников также значительно больше (обычно несколько десятков).

Поставкой оборудования для организации корпоративных и локальных беспроводных сетей занимается ряд фирм, в том числе известные фирмы Lucent Technologies, Aironet, Multipoint Network.

В оборудование беспроводных каналов передачи данных входят сетевые адаптеры и радиомодемы, поставляемые вместе с комнатными антеннами и драйверами. Они различаются способами обработки сигналов, характеризуются частотой передачи, пропускной способностью, дальностью связи.

Сетевой адаптер вставляют в свободный разъем шины компьютера. Например, адаптер WaveLAN (Lucent Technologies) подключают к шине ISA, он работает на частоте 915 МГц, пропускная способность 2 Мбит/с.

Радиомодемы могут работать в дуплексном или полудуплексном режиме. При этом, например, модем серии RAN (Multipoint Networks) имеет следующие характеристики: со стороны порта данных – интерфейс RS-232C, RS-449 или V.35, скорость до 128 кбит/с, а со стороны радиопорта – частоты 400…512 или 820…960 МГц, ширина радиоканала 25…200 кГц.

У несущего колебания есть следующие параметры: амплитуда, частота и фаза. Под действием аналогового сигнала один из этих параметров приобретает любые значения. Под действие цифрового сигнала – только ряд фиксированных значений. Этот вид модуляции называют манипуляцией. Передаваемый сигнал можно в результате манипуляции можно представить в следующей форме

Для передачи цифровых сигналов применяют амплитудную манипуляцию АМ, в иностранной литературе называемой ASK (Amplitude Shift Keying), частотная ЧМ – FSK (Frequency Shift Keying); фазовая модуляция ФМ – PSK (Phase Shift Keying).

Качество того или иного вида модуляции оценивают по таким показателям:

· Эффективность использования частотного спектра;

· Минимально необходимое (пороговое) соотношение сигнал-шум;

· Стойкость к ухудшению условий приема (помехи и особенно многолучевое распространение сигнала – отражения от соседних зданий).

Помехи наземному ЦТВ принципиально не отличаются от помех в аналоговых системах, поскольку работа первых предусматривалась в рамках тех же национальных частотных сеток вещания, что позволило учесть опыт распространения обычного ТВ метрового и особенно дециметрового диапазонов волн в реальных условиях. Для радиоволн этих длин характерно «неумение» огибать препятствия и способность хорошо отражаться от них. Если наряду с основным радиосигналом принимается сигнал, отраженный от какого-либо препятствия и пришедший к приемной антенне с задержкой, на экране аналогового приемника появляется повтор – копия изображения, сдвинутая по горизонтали. На практике в точку приема приходит многолучевой сигнал, состоящий из прямого и нескольких отраженных с различными задержками и фазовыми сдвигами относительно прямого луча эхосигналов. Подключив телевизор к комнатной антенне, легко увидеть, что при приеме сигнала даже с находящейся в прямой видимости телевышки «картинка» может существенно искажаться, например, если двигаться в данном помещении. В комнате образуются стоячие волны, и тело человека может менять их картину. Положение максимумов и минимумов стоячих волн зависит от частоты сигнала, и поэтому в точке приема разные частотные компоненты спектра сигнала могут избирательно подавляться.

Общеизвестный метод борьбы с многолучевостью – применение направленных наружных антенн. Однако при приеме на слабонаправленную комнатную антенну или в процессе движения он малопригоден. Кроме этого, к появлению помех, аналогичных помехам от отраженных сигналов, приводит использование одной частоты передатчиками с перекрывающимися зонами покрытия (так называемая одночастотная сеть). Часто оказывается выгодным осуществлять передачу не с одного мощного передатчика, а с целого ряда распределенных в пространстве сравнительно маломощных передатчиков, синхронно работающих на одной частоте. Это позволяет избежать точек неуверенного приема, которые неизбежны при работе одного передатчика (загороженного высотным зданием, например). Для синхронизации таких передатчиков используют сигналы GPS, передаваемые каждую секунду!

Даже с учетом того, что пороговое отношение сигнал/шум (C/Ш) для ЦТВ примерно в 5¸10 раз лучше, принимая во внимание пороговый эффект в ЦТВ (либо качественное изображение без сетки, муара и прочих свойственных аналоговому искажений, либо темный экран), обеспечению надежности приема в стандарте было уделено первостепенное значение.

Реальная скорость компрессированных данных на выходе кодера MPEG-2 составляет 4..5 Мбит/с. Средняя же скорость на ТВ-программу в цифровом потоке из 10 программ обычно меньше и находится в пределах 3,7..3,9 Мбит/с. Статистика показывает, что ежегодно за счет улучшения характеристик кодеров и декодеров MPEG-2 средняя скорость цифрового потока для передачи одной программы снижается на 5..7% и вскоре может составить 3 Мбит/с.

Для передачи по канала связи ТВ-сигналов высокой четкости стандартом рекомендовано использовать основной профиль–высокий уровень (MP@HL). В этой комбинации предусматривается 1125 (1080) активных строк в кадре с чересстрочным (I) или прогрессивным (P) разложением и 1920 отсчетов в активной части строки для яркостного сигнала и по 960 для CR и CB. Общее количество отсчетов в полной строке составляет 2640 для Y и по 1320 для CR и CB. При частоте кадров 25 Гц частота строк составляет 28125 Гц. Прогрессивный способ развертки допускает использование сегментных кадров (PsF), состоящие из нечетных и четных строк изображения. Средняя скорость компрессированных данных одной программы высокой четкости в стандарте MPEG-2 составляет около 18 Мбит/с и эта величина имеет тенденцию к снижению.

Тем не менее, применить двухпозиционное манипулирование, т. е. передачу двоичных кодов, кода используют только два уровня сигнала, оказывается невозможным для канала с шириной полосы в 8 МГц. Эффективность использования по частоте увеличивается при росте числа состояний, которые может принимать исходный сигнал, т. е. речь идет об использовании кодов с основанием большем, чем 2. Обычно используют числа равные степени двойки — . Предположим, используют трехразрядный двоичный код, с помощью которого можно передать 8 различных символов. Такой сигнал можно передать на несущей частоте, используя 8 дискретных значений фазы – через 450.. Эффективность использования частотного диапазона повышается в три раза, так как на несущей частоте теперь передают символы, содержащие три бита, а не один. Скорость передачи данных равна частоте следования символов, умноженный на логарифм по основанию 2 числа уровней (позиций при модуляции) : .Обращаю внимание, что используют код, у которого соседние кодовые комбинации отличаются не более, чем на единицу! Это снижает вероятность больших ошибок при некачественном приеме! Это так называемый код Грея!

Однако, чем больше состояний может принимать модулируемый параметр, тем меньше расстояние между этими состояниями и, следовательно, снижается помехоустойчивость передачи. Ухудшение условий приема на отдельных частотах – замирания весьма распространенное явление. Более устойчивы к этим помехам широкополосные виды модуляции.

Кроме того, следует учитывать эффект Доплера при приеме ТВ передач на мобильном объекте (автомобиле). Обычно ограничиваются скоростями до 150 км/час.

Дата добавления: 2015-10-21; просмотров: 882 | Нарушение авторских прав

Читайте в этой же книге:Фазовая многопозиционная манипуляция | Борьба с многолучевым приемом | Модуляция OFDM и преобразование Фурье |

Добавить комментарий

Закрыть меню