Принципы передачи данных через спутниковые антенны, эфирные антенны

Рассмотрены принципы передачи данных через спутниковые антенны, эфирные антенны (спутниковое телевидение стандарта DVB-S и телевидение DVB-T).

1 Общие соображения о максимальной пропускной способности цифрового канала связи

При цифровой передаче данных нам необходимо разделить определенное количество дискретных значений сигнала. Формулу, известную как теорема Шеннона-Хартли, можно получить из таких соображений.

Пускай у нас есть канал шириной B (выраженной в герцах, но не забываем, что по размерности 1 Гц = 1 с-1). Предположим для начала, что мы можем использовать приемник, который различает 2 уровня сигнала – сигнала в этот момент вообще нет или он равен по мощности шумам. При этом обозначим мощность сигнал как S, а мощность шума – как N.

Соответственно, условно обозначаем, что мощность сигнала «ноль» равна 0, а сигнала «единица» – N. Получается, что мы должны различить 2 сигнала:

S1 = N и S0 = 0.

Теорема Шеннона-Хартли говорит, что мы получим пропускную способность

C = B log2(1 + S/N).

При подстановке указанных уровней сигнала мы получаем условные значения:

C1 = B и C0 = 0.

Разность этих величин и говорит, что через канал шириной B при условии, что сигнал только равен шуму, мы можем передать B бит/с.

Дальнейшая идея повышения скорости передачи заключается в том, что мы можем попробовать различить сигналы, равные:

0, 1N, 2N, …, (2k-1)N.

Если наш передатчик (по кабелю или антенна радиодиапазона) может создать такую градацию сигнала (или что-то близкое, с учетом помех), а приемник – разделить их без ошибок (есть способы, как уменьшить вероятность ошибки за счет больших затрат), то мы можем передать уже не B бит/с, а kB бит/с. Как пример, если мы можем разделить значения от 0 до 255, то на той же ширине канала вместо 1 Мбит/с уже можем передать 1 Мбайт/с.

2 Фазовая манипуляция

Одним из примеров сигнала, способного передавать цифровую информацию, является такой способ модуляции, как фазовая манипуляция. При применении этого способа передаваемый сигнал S(t) имеет такой вид:

Sm(t) = g(t) cos[2πfct + φm(t)],

где g(t) – огибающая сигнала (заранее известна, то есть это договоренность между источником сигнала и его приемником), φm(t) – модулирующий сигнал (в случае цифровой передачи должен принимать M = 2k дискретных значений), fc – частота несущей, t – время.

Соответственно наличие такого набора сигналов φm(t) и возможность их различить (после процедуры демодуляции) дает передавать цифровой сигнал.

Примеры разных цифровых сигналов φm(t).

Модулированный сигнал характеризуется глубиной модуляции, которая может быть записана как:

(φmax – φmin)/2.

Передаваемый сигнал S(t) представляет собою электромагнитную волну, которая может быть разложена на 2 независимые поляризации. Например, это могут быть поляризации с условными названиями «вертикальная» и «горизонтальная». Соответственно, если приемная антенна имеет 2 разных детектора в вертикальном и горизонтальном направлении, то эти 2 сигнала можно принимать независимо. Также, как правило, эти сигналы чередуются по частоте несущей. Например – после канала 10815 МГц в горизонтальной поляризации идет у спутника канал 10911 МГц в вертикальной, а следующим – 10930 МГц в горизонтальной. Сигналы на частотах 10815 МГц и 10930 МГц будут не слишком сильно влиять друг на друга и позволят передавать достаточно информации. Это будет достигнуто в том случае, если при настройке на одну частоту шум от спутникового сигнала соседних частот будет намного меньше N (после преобразования сигнала S(t) в полезный сигнал φm(t)).

На рисунке ниже изображен сигнал (в смысле изначальная информация) в виде дискретных значений, имеющих 128 градаций. Это соответствует передаче 7 бит информации за 1 единицу ширины канала.

Пример модуляции фазы в форме дискретного сигнала, имеющего 128 вариантов.

Ниже показан результат восстановления фазы сигнала с 1 ошибкой. Ошибка связана с тем, что понятие фазы известно с точностью до 360 градусов. Поэтому вероятно необходимо задать, например, 130 вариантов фазы – таких, что бы 128 из них можно было однозначно определить.

Восстановление фазы сигнала с 1 ошибкой.

При этом сам детектируемый сигнал (высокочастотный) не имеет существенных отличий от синусоиды. Только при его увеличении можно увидеть разницу. При детектировании нет необходимости воспринимать сигнал с бесконечной точностью, например можно воспринимать мгновенное значение с периодом в 1/5 периода несущей волны. Ниже показано увеличенная часть сигнала – несущая без модуляции и волна, имеющая сигнал.

Небольшая часть сигнала (несущая с модуляцией) и несущей без модуляции в условиях ограниченного временного разрешения приемника.

Желательно, что бы скорость восприятия сигнала была выше, то есть, например 1/10 периода волны и соответствующая точность тоже должна быть высокой (чем больше эта точность, тем больше бит/с составляет доступная скорость передачи).

На самом деле, при передаче цифрового сигнала применяется также множество других математических алгоритмов. В стандарте DVB-T2 применяется дискретное обратное преобразование Фурье. При этом используется определенный набор дискретных частот – от 1024 до 32768 поднесущих. Расположенный в демодуляторе сигнальный процессор выполняет обратное быстрое преобразование Фурье (обратное БПФ). При этом нет особой разницы в преобразовании эфирного сигнала в цифровой между спутниковой антенной (DVB-S, частота несущей свыше 10 ГГц) и эфирным стандартом (DVB-T, более современный DVB-T2 – диапазон частот 490 до 778 МГц – на примере Киева). Так же есть стандарт DVB-C, применяемый в кабельной передаче данных (скорость свыше 20 Мбит/с при диапазоне частот 5-1000 МГц). Последний стандарт является неплохим вариантом доступа к интернету. Но при отсутствии в Вашем городе кабельного оператора, Вы можете приобрести дорогой (и имеющий лимит 20-60 ГБ) спутниковый интернет со скоростью: Download – до 10-20 Мбит/с, Upload – до 4-5 Мбит/с.

Простейшим способом фазовой демодуляции можно считать нахождение произведения сигнала

Sm(t) = g(t) cos[2πfct + φm(t)]

и того же сигнала, сдвинутого на единичный интервал передачи данных dt:

Sm(t+dt) = g(t+dt) cos[2πfct + φm(t+dt) + 2πfc dt].

Пренебрегая изменением огибающей за период dt получаем:

Sm(t)*Sm(t+dt) = 1/2g2(t)(cos[4πfct + φm(t) + φm(t+dt) + 2πfc dt]+ cos[φm(t) – φm(t+dt) – 2πfc dt])

После этого процесса необходимо отделить высокочастотный сигнал (колебание интенсивности на частоте 2fc) от низкочастотного, который и несет информацию об изначальной фазе. Если точнее, то такой прибор детектирует разность фаз между текущим и предыдущим моментом передачи. Из этого следует, что получение информации из сигнала возможно лишь при последовательном приеме всего пакета данных.

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *